Dual Z-Achse: Antriebe, Ausrichtung und Bettkompensation

Bei einem kartesischen 3D-Drucker kann die X-Traverse links und rechts angehoben werden. Bei anderen Bauweisen bewegt sich stattdessen das Druckbett in Z. Der Begriff Dual Z beschreibt zunächst nur den doppelten Antrieb beziehungsweise die beidseitige Unterstützung. Daraus entstehen keine zwei zusätzlichen räumlichen Koordinaten. Im normalen Druckablauf sollen beide Seiten eine gemeinsame Z-Bewegung ausführen.

Anzahl der Spindeln, Motoren und Treiber unterscheiden

Zwei Gewindespindeln können über einen Zahnriemen von einem Motor bewegt werden. Die Kopplung überträgt dann die Drehbewegung auf beide Seiten. Eine andere Anordnung verwendet zwei Motoren, die dieselben Schrittbefehle erhalten. Erst eine geeignete getrennte Ansteuerung ermöglicht es der Firmware, eine Seite für eine Ausrichtkorrektur unabhängig von der anderen zu bewegen. Das mechanische Konzept und die elektrische Ansteuerung müssen deshalb getrennt beschrieben werden.

Zwei Motorstecker auf einer Platine beweisen nicht, dass zwei unabhängig steuerbare Treiber vorhanden sind. Maßgeblich sind die Dokumentation der konkreten Elektronik und ihre Verschaltung. Vor einer Erweiterung gehören daher Motoranschlüsse, Treiberzuordnung und Firmware-Unterstützung zusammen auf die Prüfliste. Eine Stromvorgabe oder Anschlussanleitung lässt sich aus der bloßen Bezeichnung Dual Z nicht ableiten.

Warum die beiden Seiten ihre Lage verlieren können

Die Marlin-Dokumentation nennt unter anderem das Absinken bei abgeschalteten Motoren, eine blockierte Bewegung und das manuelle Verdrehen einer Kupplung als Ursachen für unterschiedliche Höhen. Bei einer nicht mechanisch gekoppelten Anordnung sichert der vorherige gemeinsame Fahrbefehl die Lage nach dem Abschalten nicht zwangsläufig. Für die Bewertung ist deshalb auch der Zustand zwischen zwei Druckvorgängen relevant.

Eine zusätzliche Spindel ist außerdem kein Ersatz für passende Führungen und eine stimmige Montage. Wenn sich eine Traverse verspannt oder nur an bestimmten Höhen schwergängig bewegt, sollte zuerst die mechanische Ursache untersucht werden. Ein wiederkehrender Schiefstand ist eine Beobachtung, noch keine eindeutige Diagnose. Die Höhe, Fahrtrichtung und der Zustand der Motorversorgung helfen, das Fehlerbild einzugrenzen.

Eigene Lehrrechnung: kleine Neigung, merklicher Höhenunterschied

Wir nehmen eine ideal starre, gerade Traverse an. Ihre beiden betrachteten Stützstellen liegen horizontal 300 mm auseinander. Die rechte Seite steht 0,30 mm höher als die linke. Diese Zahlen sind frei gewählte Lehrwerte und keine Messwerte eines vorhandenen Druckers. Verformung, Spiel und lokale Oberflächenabweichungen werden in diesem Modell weggelassen.

Die Steigung beträgt m = Δh / L = 0,30 / 300 = 0,001. Der Winkel ist arctan(0,001) ≈ 0,0573 Grad. Eine sehr klein wirkende Winkelzahl bedeutet hier also trotzdem 0,30 mm Differenz über die gesamte betrachtete Breite. Über einen Abschnitt von 100 mm ergibt dieselbe Gerade eine Höhendifferenz von 0,10 mm. Der horizontale Abstand gehört deshalb immer zur Höhenangabe dazu.

Liegen zwei Messpunkte nur 200 mm auseinander, erfassen sie an dieser idealen Geraden 0,20 mm Differenz. Die 0,20 mm an den Messpunkten und die 0,30 mm zwischen den Stützstellen widersprechen sich nicht: Es sind unterschiedliche Messbasen. Wer den Messwert ohne geometrische Zuordnung direkt als Spindelkorrektur verwendet, kann die erforderliche Änderung falsch einschätzen.

Unabhängige Z-Ausrichtung in der Firmware

Marlin beschreibt für die tastende Z-Ausrichtung einen Bettmesstaster und mindestens zwei Z-Schrittmotortreiber. G34 kann die Höhen an zugeordneten Punkten messen und einzelne Motoren nachführen. Derselbe Befehlsname wird bei anderer Konfiguration auch für mechanische Gantry-Kalibrierung verwendet. Deshalb ist ein irgendwo kopierter G34-Aufruf noch keine eindeutige Beschreibung des tatsächlichen Ablaufs auf einem bestimmten Drucker.

Die G34-Befehlsreferenz führt eine maximale Iterationszahl und eine Zielgenauigkeit als Parameter auf. Solche Grenzwerte beschreiben das Abbruchkriterium der Routine. Sie bescheinigen weder eine entsprechende absolute Bauteilgenauigkeit noch eine perfekte Geometrie des gesamten Druckers. Vor der Nutzung müssen Funktion und Voraussetzungen der installierten Firmware geklärt sein; hier wird absichtlich kein universeller Start-G-Code vorgegeben.

Klipper stellt mit z_tilt und Z_TILT_ADJUST ebenfalls eine unabhängige Neigungskorrektur mehrerer Z-Antriebe bereit. Die Konfiguration unterscheidet die Stützstellen z_positions von den anzutastenden points. Die Reihenfolge der Stützstellen gehört zu stepper_z, stepper_z1 und gegebenenfalls weiteren Antrieben. Die Tastpunkte werden als Düsenkoordinaten angegeben; der versetzte Taster muss an diesen Positionen tatsächlich über dem Bett liegen. Diese Zuordnung ist ein wesentlicher Teil der Einrichtung.

Ausrichtung, Z-Offset und Bett-Mesh lösen verschiedene Aufgaben

Eine Ausrichtung verändert die relative Lage der angetriebenen Seiten. Der Z-Offset beschreibt dagegen einen Höhenbezug, etwa den Zusammenhang zwischen Tastauslösung und Düsenposition. Ein Bett-Mesh beschreibt räumlich verteilte Oberflächenabweichungen und dient ihrer näherungsweisen Kompensation. Die Begriffe sollten im Fehlerprotokoll nicht unter einem pauschalen „Leveling“ verschwinden.

Klipper weist ausdrücklich darauf hin, dass Bed Mesh mechanische oder elektrische Probleme nicht behebt und eine ungenaue Messung keine zuverlässige Korrekturgrundlage liefert. Vor einer Mesh-Kalibrierung müssen die relevanten Höhenbezüge kalibriert sein. Wird anschließend die relative Lage der Z-Seiten verändert, muss auch geprüft werden, ob die zuvor erfassten Daten noch zum neuen Zustand passen. Die Druckbettheizung und ihr Temperaturzustand gehören ebenfalls zur Beschreibung der Messbedingungen.

Eine Änderung nachvollziehbar beurteilen

Ein brauchbares Vorher-Nachher-Protokoll enthält dieselben Messpositionen, dieselbe Messmethode und vergleichbare Bedingungen. Die notierten Höhen werden zusammen mit ihrem Bezug festgehalten. Nach der Änderung wird nicht nur ein besonders günstiger Einzelwert betrachtet: Eine Wiederholung zeigt, ob das Ergebnis wieder erreichbar ist. Ein Messprotokoll trennt dabei Beobachtungen von bereits vermuteten Ursachen.

Als eigene Beobachtungsfrage lässt sich beispielsweise formulieren: Bleibt die Höhendifferenz nach einer normalen Fahrt durch den Arbeitsbereich ähnlich, verändert sie sich erst nach dem Abschalten oder schwankt sie schon bei unmittelbar wiederholtem Antasten? Diese drei Fälle verlangen unterschiedliche weitere Untersuchungen. Ohne solche Angaben kann eine vermeintlich erfolgreiche automatische Korrektur nur ein momentaner Zustand sein.

Für die Entscheidung über einen Umbau wird zuerst das konkrete Problem benannt. Soll eine einseitig unterstützte Traverse beidseitig getragen werden, sollen bestehende Spindeln gekoppelt werden oder soll eine bereits doppelte Anordnung unabhängig ausrichtbar werden? Erst danach lassen sich Mechanik, Elektronik und Firmware passend beurteilen. Dual Z ist damit eine Beschreibung des Aufbaus, kein pauschales Qualitätsversprechen.