Original Prusa MMU3 - 2024 Update und Entwicklertagebuch

Ende März 2024 haben wir mit der Auslieferung der MMU3 für den Original Prusa MK4 (und MK3.9) begonnen. Dies markierte auch das Ende einer langen Testphase im eigenen Haus, in der die MMU3 bewiesen hat, dass sie Tausende von Filament-Wechseln auf dem MK4 übersteht. Die MK3S+ Version wird seit Juli 2023 ausgeliefert und ist weiterhin sehr erfolgreich.

Im Moment ist die MMU3 für alle unterstützten Drucker verfügbar, die meisten Versionen sind auf Lager und wir verringern die Lieferzeiten für die MK4-Variante täglich (siehe die Versandtabelle für Details). Wir freuen uns, dass auf Reddit immer wieder ambitionierte Drucke auftauchen – 150+ Stunden Druckzeit ohne einen einzigen Eingriff sind heutzutage keine Seltenheit. 🙂

Bevor wir loslegen – alle Modell-Links finden Sie am Ende des Artikels!

MMU3 – schnell und effizient

Es gibt eine Reihe von Gründen, warum wir am gleichen Konzept der Multi-Material-Unit festhalten.

Zunächst einmal handelt es sich um einen unglaublich einfachen Mechanismus – Sie können die gesamte Einheit ganz einfach zu Hause zusammenbauen (oder die Vorgängerversion aufrüsten), die Wartung ist ein Kinderspiel, weil Sie schnell ins Innere der Einheit gelangen und alle Kunststoffreste entfernen können, usw. Zu diesem Zweck haben wir mehrere Teile des Geräts verbessert, so dass Sie jetzt z.B. die Neigung in zwei Schritten einstellen können, um bequemer an das Gerät zu gelangen. Im Allgemeinen wurden jedoch die meisten Teile neu gestaltet und mit Metallteilen verstärkt. Wir möchten der 3D-Druck-Community dafür danken, dass sie uns mit wertvollem Feedback und User-Mods auf die Sprünge geholfen hat – lesen Sie unseren früheren Artikel, um mehr über die Änderungen an der Hardware zu erfahren!

Das Design der MMU3 ermöglicht auch sehr schnelle Filamentwechsel – sie dauern durchschnittlich zwischen 35 und 45 Sekunden, je nach den in PrusaSlicer eingestellten Spülwerten. Bei leicht tausenden von Filamentwechseln während eines einzigen Multi-Material-Drucks spart dies eine beträchtliche Menge an Zeit beim Druckauftrag ein und die einzige schnellere Lösung ist der XL.

Ein weiterer Punkt, den die MMU3-Einheit ermöglicht, ist das Drucken von mehreren Materialien mit überschaubarem Abfall. Anstatt übermäßige Mengen an Filament abzuschneiden und zu spülen, verwendet die MMU3 einen kompakten, halbhohlen Reinigungsturm. Die Größe des Reinigungsturms kann weiter reduziert werden, indem Sie Wipe-to-Object- oder Wipe-to-Infill-Optionen verwenden, die die Materialreste in der Düse beseitigen – so oder so müssen Sie sich keine Sorgen um Kunststoffstücke machen, die sich neben Ihrem Drucker stapeln.

Das Gerät sieht zwar ähnlich aus wie sein Vorgänger, aber das Nutzungserlebnis ist ganz anders, auch dank einer komplett überarbeiteten Firmware – wir haben uns entschlossen, den gesamten Prozess der Entwicklung der neuen Version unten zu teilen, falls Sie mir nicht glauben. 😉 Dank der vollständigen Zwei-Wege-Kommunikation zwischen den beiden Platinen ist es viel einfacher, Multi-Material-Drucke zu konfigurieren und auszuführen. Der farbige Touchscreen des MK3.5/MK4 bietet Ihnen zusätzliche Optionen, wie z.B. die Möglichkeit, Filamente schnell neu zuzuordnen oder die SpoolJoin-Funktion einzurichten, um Filamentreste von fast leeren Filamentspulen zu verbrauchen.

Zu guter Letzt haben wir uns entschieden, das Design der MMU2S beizubehalten, so dass Sie Ihr älteres Gerät ganz einfach und kostengünstig aufrüsten können. Und natürlich können Sie die MMU3-Firmware auf Ihr MMU2S-Gerät flashen, um seine Leistung zu verbessern, ohne irgendwelche Teile auszutauschen.

MMU3 für den MK4

Nun stellt sich natürlich die Frage: Warum hat es länger gedauert, die MMU3 für den MK4 zu veröffentlichen, wenn die anderen Versionen schon seit Mitte 2023 auf dem Markt sind?

Wir haben dies ausführlich in unseren Blogbeiträgen behandelt, daher nur kurz: Wir hatten eine voll funktionsfähige MMU3 für den MK4, die im April 2023 ausgeliefert werden konnte, und wir warteten darauf, dass unsere Produktionskapazitäten etwas freier werden – die MMU3 war also für Juni 2023 geplant. Als jedoch der Sommer näher rückte und die Temperaturen zu steigen begannen, bemerkten wir einen plötzlichen Rückgang der Zuverlässigkeit (MMU3+MK4). Warum funktionierte der MK3S+ ohne Probleme und der MK4 nicht? Die Ursache liegt in den unterschiedlichen Extrusions- und Hotend-Systemen. Bis zu diesem Zeitpunkt hatten wir eine perfekt funktionierende Kombination und plötzlich waren wir wieder am Anfang.

Also richteten wir eine Testfarm ein und begannen sofort mit der Entwicklung einer Lösung. Wie wir bereits beschrieben haben, dauert das Drucken mit der MMU leicht über 30 Druckstunden, was jede Art von Test zeitaufwändig macht.

Die Ursache des Problems lag in den Spitzen des Filaments verborgen – sobald Sie ein Filament aus dem Extruder entladen, muss die Spitze absolut perfekt sein. In unserem Fall hatten die entladenen Filamente jedoch oft einen langen, dünnen Strang Kunststoff am Ende, der in dem eng konstruierten Nextruder Probleme verursachte. Wir haben dies in unseren vorherigen Updates (Oktober 2023 und Januar 2024) ausführlich beschrieben.

Ein Extremfall, bei dem sich der Filamentfaden an der Spitze bildet

Wir haben den letzten Beitrag mit der Aussage beendet, dass die meisten Probleme beim MK4 dadurch verursacht werden, dass das Filament nicht reibungslos durch den Extruder und in die Filamentführung läuft. Das bringt mich zu…

Die Main-Plate des Nextruders

Um das häufige (Ent-)Laden des Filaments auf das erforderliche Maß an Zuverlässigkeit zu bringen, mussten wir das Teil „Main-Plate“ im Nextruder anpassen und deshalb ist es auch im MMU3-Paket enthalten. Wir haben auch das Entladen des Filaments neu gestaltet, wodurch es effizienter und viel schneller wird!

Wenn Sie den MK4 wie gewohnt verwenden und sogar mehrmals täglich das Filament wechseln, wird das Main-Plate-Teil auch nach längerer Zeit kaum Verschleißerscheinungen aufweisen. Bei mehrfarbigen Drucken können jedoch leicht Tausende von Filamentwechseln während eines einzigen Drucks durchgeführt werden – ohne die MMU würden Sie wahrscheinlich viele, viele Jahre häufigen Druckens benötigen, um auf diese Anzahl von Filamentwechseln zu kommen. Bei so vielen Filament-Wechseln während des Druckens von Multimaterialien kann die Main-Plate Anzeichen von Verschleiß aufweisen, je nachdem, wie intensiv Sie die MMU nutzen.

Das Teil, das wir der MMU beilegen, wurde mit Multi Jet Fusion gedruckt, um es länger haltbar zu machen. Dennoch muss es wie ein Verbrauchsmaterial behandelt werden, da es sich mit der Zeit abnutzt. Der Drucker verfolgt den Wechsel des Filaments und benachrichtigt Sie, wenn sich die erwartete Lebensdauer dieses Teils dem Ende zuneigt oder wenn das Laden des Filaments aufgrund von übermäßigem Verschleiß unzuverlässiger wird. Nach unseren Tests im eigenen Haus hält das MJF-Teil etwa 80.000 Filamentwechsel und muss dann ausgetauscht werden (der Austausch dauert etwa 10 Minuten). Wir haben dieses Teil im eigenen Haus ausgiebig getestet. Wenn Sie früher als erwartet Probleme bekommen, liegt das wahrscheinlich an etwas anderem. Wenden Sie sich bitte an unser Support-Team, um Hilfe zu erhalten.

Als kurzfristige Lösung können Sie das Teil aus PETG drucken – die STL-Datei finden Sie bei Printables.com. Allerdings wird die Lebensdauer merklich kürzer sein.

Auf dem Weg zur MMU3

Ende 2021 / Anfang 2022 begann unser Firmware-Leiter David mit der Zusammenstellung einer Liste von Funktionen für eine neue MMU2S-Firmware. Ursprünglich bestand das einzige Ziel darin, auf dem Bildschirm des Druckers korrekte Statusmeldungen anzuzeigen, wenn die MMU ein Problem hat. Daraus entwickelte sich ein ganz neues Projekt mit dem Ziel, eine vollständige Zwei-Wege-Kommunikation, korrekte Statusmeldungen und viele andere Funktionen hinzuzufügen, um das Gerät viel weniger anfällig für Probleme bei der Montage zu machen. Wir stellten fest, dass der Zusammenbau der MMU viel zu viel Geduld erforderte, um sicherzustellen, dass alles PERFEKT ausgerichtet war. Das war bei unseren 3D-Druckern nie ein Problem (wie viele Leute im Internet sagen, „der Bausatz funktioniert einfach“), daher war die Situation mit der MMU etwas unerwartet – und die Benutzer haben ihre Frustration sehr deutlich zum Ausdruck gebracht.

Es ist normalerweise nicht nötig, online zu gehen und zu sagen: „Alles in Ordnung“. Sie gehen online, um nach Hilfe bei der Fehlersuche zu suchen. Als die Fragen zur MMU2 und die Anfragen nach Hilfe auftauchten, entstand der Eindruck, dass die MMU2S nicht funktioniert – ganz und gar nicht. Die meisten Benutzer hatten jedoch keine größeren Probleme mit dem Drucken von Multimaterialien. Auch als verschiedene Mods/Fixes der Community auftauchten, hatten sie unterschiedlich viel Erfolg – eben weil es zu schwierig war, die MMU mit hoher Präzision zusammenzubauen, so dass die Ursache des Problems oft an verschiedenen Stellen lag. Wir haben diese Kommentare sehr ernst genommen. Außerdem haben wir alle MMU2S-Besitzer mit Informationen darüber angesprochen, wie sie ihre Geräte mit einer neuen Firmware verbessern können und Möglichkeiten angeboten, die Probleme beim Zusammenbau zu kompensieren.

Firmware zur Rettung

Wir haben die Situation gründlich analysiert, indem wir Benutzerbeiträge in den sozialen Medien, Videos, Rezensionen, Modifikationen und natürlich die Berichte des technischen Supports durchgesehen haben. Ursprünglich wollten wir die Firmware überarbeiten, um sie benutzerfreundlicher zu machen, denn das Gerät verwendet ein einfaches, aber etwas kryptisches System von fünf LEDs, um mit dem Benutzer zu kommunizieren. Dies war eines der Dinge, die zu der Verwirrung in den sozialen Medien beigetragen haben. „Oh nein, meine erste und dritte LED blinken! Was hat das zu bedeuten?“ Es machte den Umgang mit allgemeinen Druckproblemen viel zu schwierig. Es wäre sinnvoller, wenn der Drucker Ihnen sagen könnte: „Irgendetwas blockiert die Rotation der Idler, bitte überprüfen Sie Folgendes:“, anstatt die LEDs blinken zu lassen.

Natürlich wurde die Firmware für die MMU2 vor vielen Jahren in einem winzigen Team entwickelt und in den letzten Jahren hat sich in der Firma viel verändert.
Also machte sich David daran, die bestehende Codebasis zu verbessern. Doch was zunächst wie ein einfaches Firmware-Update aussah, entpuppte sich als ein ganz neues Projekt, das mit der Einführung der MMU3 endete. Anstatt den alten Code zu erweitern, wurde die bestehende Codebasis aus dem Fenster geworfen und die neue Firmware begann komplett bei Null. Die komplette Überarbeitung der Codebasis führte zu einer massiven Verbesserung der Gesamtleistung – was bei der Softwareentwicklung nicht immer der Fall ist. 😉

Innerhalb von zwei Monaten wurde der Vorschlag für eine brandneue Firmware-Architektur fertiggestellt. Ursprünglich hatten wir die Arduino IDE in Betracht gezogen, aber das wurde später verworfen, weil sie uns nicht alles erlaubte, was wir geplant hatten.

Die Firmware ist auf drei Schichten aufgebaut:

HAL – Hardware Abstraction Layer – ermöglicht den Zugriff auf Timer, Watchdogs, EEPROM, USART und mehr
Module – Abstraktion von Einheitskomponenten – Tasten, FINDA-Sensor, F-Sensor, Idler, LEDs, voll ausgestatteter Schrittmotor, permanenter Speicher, Protokolle, Pulley, Selektor, seriell, Timing, USB CDC, Benutzereingabe
Anwendungslogik – Funktionslogik, wie z.B. Schneiden, Auswerfen, Home, HW-Prüfung, Filament laden, entladen und mehr

Eines der Hindernisse für die vorherige Firmware (die aus dem Jahr 2017 stammte) war, dass sie als synchroner Code geschrieben war, was im Grunde jede Aktualisierung des Druckers ausschloss, während die MMU eine Aktion durchführte. Bevor die MMU auf eine neue Eingabe oder Situation reagieren konnte, musste sie einen bestimmten Zyklus abschließen. Außerdem wusste sie nicht wirklich, was mit dem Drucker geschah. Sie empfing nur ständig Befehle, die dann ausgeführt wurden. Mit der neuen Architektur ist das nicht mehr der Fall. Alles arbeitet ständig parallel als Zustandsmaschine und sowohl der Drucker als auch die MMU kommunizieren ständig miteinander und tauschen Echtzeitinformationen aus. Auf diese Weise kann das System viele Situationen lösen, die andernfalls zu den Meldungen „MMU benötigt die Aufmerksamkeit des Benutzers“ führen würden. Laden des Filaments fehlgeschlagen? Versuchen wir, es noch einmal automatisch zu laden. Gut, jetzt funktioniert es, machen wir weiter.

Das alles wurde auf einem einfachen ATMega 32U4 Chip realisiert. Da es aufgrund begrenzter Ressourcen nicht möglich ist, ein eingebettetes Betriebssystem mit Multitasking darauf laufen zu lassen, mussten wir es selbst machen. Nun, es handelt sich nicht um „echtes“ Multitasking, sondern eher um eine intelligente Architektur, die sicherstellt, dass keine Komponente jemals eine andere blockieren kann, so dass alles die ganze Zeit läuft.

Einheitstests und Integration

David und sein Team verbrachten Monate mit der Entwicklung der Firmware, indem sie nur Unit-Tests (reine Software-Tests von kleinen Teilen des Codes) durchführten und immer prüften, ob avr-gcc den Code kompilieren kann. Die einzigen physischen Tests wurden mit der teilweisen Implementierung von HAL-Komponenten durchgeführt. Als die Entwicklung in späteren Stadien war, lud das Entwicklerteam schließlich die Firmware auf das MMU2S-Board hoch – und sie funktionierte wunderbar, was die Gültigkeit des testgetriebenen Entwicklungsansatzes in seiner reinen Form beweist.

Ein wesentlicher Teil der neuen Firmware war die Implementierung geeigneter Fehlermeldungen – dies bedeutete auch, die andere Seite (den Drucker) auf die Kommunikation vorzubereiten. Da es zwei verschiedene Firmware-Zweige gibt (MK3S+ mit der Einsy-Platine und der 32-Bit MK4 mit der xBuddy-Platine), gab es einiges an zusätzlicher Arbeit zu erledigen.

Letztendlich verwenden wir auch hier Zustandsautomaten. Der Drucker ist das Steuergerät und die MMU antwortet nur auf Befehle (aber diesmal kann sie auch „zurückmelden“). Es macht nur Sinn, dass die leistungsfähigere CPU im Drucker die Kommunikation, Anfragen und mehr steuert. Über diesem Kommunikationsprotokoll befindet sich eine zusätzliche Schicht, die das Protokoll mit der Marlin-Firmware verbindet. Hier wollten wir die Top-Level-API beibehalten, aber alles andere wurde über Bord geworfen und komplett neu geschrieben.

Das war unglaublich viel Arbeit, aber am Ende hat es sich gelohnt. Die Kommunikation zwischen den beiden Geräten läuft reibungslos und das gesamte Erlebnis ist praktisch nahtlos.

Und dann hatte das Hardware-Team noch ein paar Ideen.

Hier anpassen, dort anpassen…

Wir haben bereits erwähnt, dass von der Community vorgenommene Änderungen ein wichtiger Indikator waren, der uns geholfen hat, uns auf entscheidende Bereiche zu konzentrieren.

Während die Arbeit an der neuen Firmware im Gange war, hat sich unser Hardware-Entwicklungsteam die MMU-Einheit angesehen und beschlossen, ein paar Teile hier, ein paar Teile dort zu verbessern – und schließlich haben sie den Großteil der Komponenten mit Ausnahme der Elektronik neu entworfen. Weitere Einzelheiten finden Sie im vorherigen Blogeintrag

In der Zwischenzeit hat das Firmware-Team beschlossen, der Codebasis eine weitere Komponente hinzuzufügen. Eine ziemlich große: die Unterstützung der Registry. Oder um genauer zu sein: Laufzeit-MMU-Parametrisierung, ähnlich einem MODBUS-Registrierungssystem. Es gab sogar einen Versuch, den vollständigen MODBUS zu verwenden, aber aufgrund der begrenzten Ressourcen des MK3S+ wurde dies zugunsten einer modifizierten Version des MMU-Protokolls fallen gelassen. Es fügt nun 35 Registrierungseinträge (1-Byte und 2-Byte) hinzu, von denen einige schreibgeschützt, andere lesend/schreibend und einige dauerhaft im EEPROM gespeichert sind. Dies gibt uns eine ganze Reihe neuer Optionen, einschließlich der neuen G-Codes M707 und M708 zum Lesen/Schreiben von Registrierungseinträgen. Damit können Sie zum Beispiel die Geschwindigkeit des Filament-Ladens vor jedem Filament-Wechsel konfigurieren. Außerdem parametrisiert jeder Drucker seine MMU beim Start – was es uns ermöglicht, nur eine MMU-Firmware für alle unterstützten Druckermodelle zu haben.

Mehr Leistung ist nicht immer besser

Wenn die MMU3 Filament in den Extruder lädt, ist das ein recht einfacher Vorgang. Der Idler dreht sich, übt Druck auf den Faden des Filaments aus und drückt ihn gegen das Vorschubrad. Das Zahnrad beginnt sich zu drehen und schiebt das Filament durch den Selektor und den PTFE-Schlauch in den Extruder.

Unsere ursprüngliche Idee war, dass wir so viel Druck wie möglich brauchen. Ich meine – warum nicht? Sie müssen das Filament durch den PTFE-Schlauch drücken, Sie wollen nicht, dass das Filament abrutscht oder Schritte verliert. Aber das ist eigentlich nicht der Fall. Die Bewegung des Filaments wird von den beiden Filament-Sensoren (in der MMU und im Drucker) überprüft, so dass es nicht wirklich etwas ausmacht, wenn der Motor ein paar Schritte verliert. Und er muss auch nicht mit voller Leistung laufen.

Dadurch wird vermieden, dass Dellen in der Filament-Schnur entstehen, wo ein zu starker Antrieb Material von der Filament-Schnur abschaben würde, so dass sie nicht mehr vom Getriebe nach vorne geschoben werden kann. Wenn Sie Top Gear gesehen haben, können Sie sich wahrscheinlich daran erinnern, wie Jeremy Clarkson bei einem gewaltigen Burnout „POWAAHH!“ schrie, was meist nur knapp eine Katastrophe verhinderte – das ist ähnlich. Übermäßige Pferdestärken sind nutzlos, wenn die Räder das Drehmoment nicht auf die Straße übertragen können. Weniger Strom, der in den Motor fließt, bedeutet, dass der Motor, wenn das Filament irgendwo stecken bleibt, das Material nicht wegschleift und eine halbe Stunde später weitere Probleme verursacht, wenn dieser Teil des Filaments in den Extruder gelangt. Wenn die MMU den voreingestellten Schrittbereich/die voreingestellte Länge verlässt, zeigt sie ohnehin einen Fehler an. Aber das Stück Filament kann wiederverwendet (und nicht weggeworfen) werden.

Im Gegensatz zum Drucker verfügte die alte MMU-Firmware außerdem nicht über einen eigenen Stepper- und Planermodul. Das machte das Gerät lauter als es sein musste. Außerdem war es fast unmöglich, die Beschleunigung zu steuern, ohne den Code zu ändern. Mit der neuen Firmware ist das nicht mehr der Fall. Es gibt eine vollständige Stepper- und Planer-Engine, die 3 Achsen gleichzeitig verwaltet, einschließlich Beschleunigungsrampen. Dadurch können wir die Geschwindigkeiten und Beschleunigungen aller Motoren dynamisch zur Laufzeit steuern. Außerdem haben wir die Art und Weise geändert, wie die TMC2130-Treiber die Referenzfahrt durchführen (wir messen jetzt die Länge der Achsen), was ebenfalls dazu beiträgt, die Einheit leiser und zuverlässiger zu machen.

Hinter der MMU3-Firmware stecken noch mehr Dinge, aber die sind noch ausgefallener als das, was gerade erklärt wurde. Vielleicht ein andermal. 🙂

Farbige Drucke mit weniger Abfall und mehr Komfort

So, das fasst den aktuellen Stand des MMU3 zusammen. Das Gerät ist für alle unterstützten Druckermodelle erhältlich, es funktioniert außergewöhnlich gut und Sie können mit minimalem Aufwand wirklich beeindruckende Ergebnisse erzielen.

Wir arbeiten uns schneller als erwartet durch den Rückstand bei den MMU3-Bestellungen. Wenn Sie also Ihr Gerät noch nicht haben, wird es bald auf dem Weg sein. Und wenn Sie bereits mit mehreren Filamenten drucken, lassen Sie uns an Ihren Drucken teilhaben! Wir können es kaum erwarten, sie zu sehen!

Viel Spaß beim Drucken!

Modell-Links:

https://3dsets.com/product/model-7-buggy/

https://www.printables.com/model/384371-the-frog-prince-multi-and-single-colour-fairytale-

https://www.printables.com/model/748459-articulated-sea-turtle-singlecolor-and-multicolor

https://www.printables.com/model/576954-chibi-wolverine

https://www.printables.com/model/144657-mini-viking

https://www.printables.com/model/379304-astronaut-sitting-on-moon

https://www.printables.com/model/138600-cat-sculpt-with-mmu-painting

https://www.printables.com/model/563626-lola-bunny-space-jam

https://cults3d.com/en/3d-model/art/kingfisher-mmu-three-versions