Der Markt für 3D-Drucker hat sich in den letzten zwei bis drei Jahren radikal gewandelt. Wer heute die einschlägigen Foren, Blogs und Videoplattformen besucht, wird unweigerlich mit einer sehr klaren, fast schon dogmatischen Botschaft konfrontiert: CoreXY-Systeme sind der neue, absolute Standard. Sie sind ab Werk unfassbar schnell, werden zu aggressiven Preisen auf den Markt geworfen und bieten eine Anwenderfreundlichkeit, die vor wenigen Jahren noch undenkbar schien. Die logische Frage, die sich jedem Betrachter sofort stellt, lautet daher: Warum in aller Welt investiere ich Zeit, Geld, Nerven und Konstruktionsaufwand in einen Prusa MK3S Klipper und Linearschienen Umbau, um einen in die Jahre gekommenen, klassischen „Bed Schubser“ aufwendig zu modifizieren?
Die Antwort auf diese berechtigte Frage ist nicht in Benchmarks oder Geschwindigkeitsrekorden zu finden, sondern in der grundlegenden Architektur einer effizienten, auf Zuverlässigkeit getrimmten Druckfarm. Kürzlich habe ich einen gebrauchten Prusa i3 MK3S zu einem äußerst attraktiven Preis angeboten bekommen. Statt diesen Drucker einfach nach Schema F in Betrieb zu nehmen, dient er mir nun als Basis für ein weiteres Umbauprojekt. Ich möchte herausfinden, inwieweit sich durch den Einsatz der Klipper-Firmware in Kombination mit einer Modifikation der mechanischen Führungen die Leistungsfähigkeit dieses Systems steigern lässt.
Die Philosophie der homogenen Druckfarm: Ein logischer Ansatz
Wenn man lediglich einen einzigen 3D-Drucker als Hobby betreibt, ist die Jagd nach dem neuesten, schnellsten Modell auf dem Markt extrem verlockend. Sobald man jedoch eine kleine Druckfarm hat, bei der Ausfallzeiten direkten Einfluss auf die Produktivität haben, ändern sich die Spielregeln von Grund auf. In meiner kleinen Druckfarm haben sich Eigenbauten auf Prusa-Basis sowie mehr oder weniger stark modifizierte Prusa-Maschinen seit mittlerweile über fünf Jahren im harten Dauereinsatz bewährt. Diese Beständigkeit ist kein historischer Zufall, sondern das Resultat einer bewussten Systementscheidung.
Die Homogenität der eingesetzten Maschinen ist der mit Abstand wichtigste Hebel für eine geringe Ausfallzeit und einen skalierbaren Betrieb. Wenn alle Drucker auf demselben Fundament stehen, nutzen sie die gleichen 24V-Heizpatronen, dieselben Semitec-Thermistoren, identische Gates-Zahnriemen und vergleichbare Extruder-Geometrien. Dies reduziert die Kapitalbindung in der Ersatzteilhaltung enorm. Fällt an einem Freitagabend eine mechanische oder elektronische Komponente aus, greife ich blind in meine Sortimentskiste und die Maschine produziert eine halbe Stunde später wieder Bauteile. Bei den neuen, hochintegrierten Maschinen auf dem Markt gibt es oft proprietäre, geschlossene Baugruppen, die zwingend beim Hersteller (in Übersee) bestellt werden müssen. Eine Wartezeit von zwei Wochen auf ein Ersatzteil ist in einer funktionierenden Farm schlichtweg inakzeptabel.
Darüber hinaus profitiert das Software- und Daten-Management von dieser Einheitlichkeit. Ich muss in meinem Slicer nicht für völlig unterschiedliche Kinematiken völlig neue, komplexe Profile für Retract, Volumetric Flow oder Beschleunigung von Grund auf neu ermitteln. Ich kenne die Resonanzen, die thermischen Grenzen und die mechanischen Eigenheiten des Prusa i3-Designs mittlerweile in- und auswendig. Diese extrem steile Lernkurve, die ich mir in den letzten Jahren durch unzählige Druckstunden erarbeitet habe, ist ein immens wertvolles Kapital. Genau deshalb ergibt es für mich und meine spezifische Nutzung absolut Sinn, bei dieser etablierten mechanischen Plattform zu bleiben und den Maschinenpark um einen weiteren, modifizierten MK3S zu ergänzen.
Nun muss ich noch ergänzen, dass ich keine kommerzielle Druckfarm betreibe. Es ist eher Hobby, ich drucke an sich ausschließlich für mich und mein Umfeld. Aber die Möglichkeiten, die ein 3D-Drucker bietet, schaffen halt auch Bedarf, und wenn ich mehrere Bauteile brauche, dann habe ich diese halt schneller zur Hand. Der zweite Vorteile dabei: Ich kann in den verschiedenen Druckern verschiedene Materialien rüsten und muss dann nicht jedesmal den einen Drucker umrüsten. Letztendlich ist der Bau und die Verbesserung der Drucker selbst auch Teil meiner Leidenschaft.
Die mechanischen Grenzen des Prusa MK3S: Warum LM8UU versagen
Der Prusa MK3S ist ab Werk eine für seine Zeit fantastische, durchdachte und äußerst zuverlässige Maschine. Doch wenn ich analytisch auf die Mechanik blicke, zeigen sich konstruktive Elemente, die für den Massenmarkt und moderate Geschwindigkeiten extrem sinnvoll, für maximale Performance unter Klipper jedoch stark limitierend sind. Die Führung der X- und Y-Achse erfolgt über gehärtete Stahlrundstangen in Kombination mit LM8UU-Linearlagern.
Dieses kinematische System funktioniert einwandfrei, solange es penibel geschmiert ist, die Toleranzen der Stangen exakt stimmen und die Beschleunigungskräfte niedrig bleiben. Doch unter der Belastung von Klipper-typischen Profilen ändert sich die Physik. Die LM8UU-Lager leiten die Last nur über winzige, punktuelle Kontaktflächen der innenliegenden Stahlkugeln auf die Rundstange ab. Wenn wir nun die Beschleunigung der Y-Achse drastisch erhöhen, steigt die Trägheitskraft des schweren Heizbettes enorm an. Diese Kräfte drücken die Kugeln in die Oberfläche der Rundstangen. Im Dauerbetrieb unter diesen Bedingungen neigen die Kugelreihen dazu, mikroskopische Riefen in den Stahl einzuarbeiten. Sobald hier auch nur ein wenig Spiel entsteht, überträgt sich dies als Vibration oder unsauberes Druckbild (das gefürchtete Ghosting oder Ringing) direkt auf das Bauteil. Zudem ist die Haftreibung dieses Systems im Vergleich zu modernen Schienen spürbar höher.
Genau hier setze ich mit dem ersten großen mechanischen Upgrade an: Dem Wechsel auf MGN12 Linearschienen. Ein Y-Achsen-Umbau auf Linearschienen hat sich bei meinen anderen modifizierten Druckern bereits in der Praxis bewährt. Eine Linearschiene nutzt einen Laufwagen, dessen Kugelumlauf eine deutlich größere Kontaktfläche zur Schiene hat. Die Lastverteilung ist optimiert. Die Konstruktion wird dadurch um ein Vielfaches verwindungssteifer. Das schwere Heizbett, welches bei schnellen, zackigen Richtungswechseln enorme Massenträgheit entwickelt, wird durch die breiten MGN12H-Schlitten absolut spielfrei und leichtgängig geführt.
Bei diesem Projekt gehe ich noch einen Schritt weiter als in der Vergangenheit und werde auch die X-Achse auf eine Linearschiene umbauen. Der komplette X-Schlitten inklusive des schweren Direct-Drive-Extruders wird dadurch weitaus präziser und ohne das typische „Verdrehen“ der zwei Rundstangen geführt. Das primäre Ziel dieser Modifikation ist es, sogenannte VFA-Artefakte (Vertical Fine Artifacts) auf den gedruckten Oberflächen zu minimieren und ein mechanisches Fundament zu schaffen, das Beschleunigungswerte jenseits der 3.000 mm/s² dauerhaft und ohne Verschleißerscheinungen verkraftet.
Mein Tipp: Wenn Du Dich entscheidest, Deine Druckerachsen auf Linearschienen umzubauen, spare nicht an der Vorbereitung. Auch hochwertige, aber erst recht günstige asiatische Schienen müssen vor dem Einbau zwingend komplett entfettet, in Isopropanol gereinigt und anschließend mit einem hochwertigen Lithium-Fett (beispielsweise NLGI 2) per Spritze in den Schlitten neu geschmiert werden. Das ab Werk aufgetragene Öl ist oft nur ein Rostschutz für den Transport. Eine trocken laufende Linearschiene blockiert schleichend, ruiniert das Druckbild und zerstört Dir durch den Widerstand langfristig die Schrittmotoren.
Die massiven Verbesserungen durch Klipper
Die Aufrüstung der Mechanik ist, kritisch betrachtet, nur die halbe Wahrheit. Das wahre, entfesselte Potenzial dieses Umbaus liegt in der Steuerungselektronik und der zugrunde liegenden Logik. Der Prusa MK3S nutzt das bewährte Einsy Rambo Mainboard. Es ist industriell robust, verfügt über exzellente Trinamic-Schrittmotortreiber (TMC2130) und bietet clevere Funktionen wie das sensorlose Homing. Der gewaltige Flaschenhals dieses Systems liegt jedoch im verbauten Hauptprozessor: Dem 8-Bit ATmega2560.
Dieser Mikrocontroller arbeitet strikt linear. Er muss die eintreffenden G-Code-Befehle von der SD-Karte lesen, interpretieren, in Mikroschritte umrechnen, das Display ansteuern und permanent die Temperaturen überwachen – alles absolut zeitgleich. Wenn wir durch den Linearschienen-Umbau die Mechanik nun befähigen, weitaus schneller zu verfahren, bricht dieser 8-Bit-Prozessor unter der Last der Berechnungen zusammen. Er kann schlichtweg nicht schnell genug rechnen, um die Motoren bei hohen Geschwindigkeiten und komplexen Kurven flüssig anzusteuern. Die unvermeidbare Folge sind Mikroruckler, Stottern, kurze Pausen und daraus resultierende, hässliche Filament-Blobs auf der Außenhaut des Bauteils.
Hier greift Klipper ein und ändert die gesamte Architektur der Maschine radikal. Klipper trennt die schwere Mathematik von der reinen Bewegungsausführung. Die komplexe Pfadberechnung, die Vorausplanung der Bewegungen (Look-ahead) und die Kinematik werden komplett vom Einsy-Board abgezogen und auf einen deutlich leistungsstärkeren Einplatinencomputer ausgelagert. In meinem Projekt übernimmt diese anspruchsvolle Aufgabe ein Raspberry Pi 3 B+.
Das originale Einsy Rambo wird durch diesen Prozess zu einem reinen, passiven Befehlsempfänger (einer sogenannten MCU – Microcontroller Unit) degradiert. Der Raspberry Pi berechnet die Kinematik im Vorfeld und sendet präzise, zeitlich exakt getaktete Mikroschritt-Anweisungen über USB an das Einsy-Board. Die Rechenleistung für den Drucker steigt dadurch um ein Vielfaches.
Die vier Kernvorteile des Klipper-Einsatzes
Die Annahme, dass Klipper allein durch seine Rechenleistung den Drucker mechanisch schneller macht, ist physikalisch falsch. Klipper liefert „nur“ die überlegene Software-Basis, um mechanische Limitierungen durch hochentwickelte Algorithmen auszutricksen. Die konkreten Verbesserungen, die diesen Umbau rechtfertigen, lassen sich in vier elementaren Punkten zusammenfassen:
- Input Shaping (Resonanzkompensation): Dies ist das wohl bekannteste Feature. Bei Klipper schraubt man temporär einen kleinen Beschleunigungssensor (meist einen ADXL345) an den Druckkopf und das Heizbett. Das System fährt gezielte Frequenztests und misst die spezifischen Resonanzfrequenzen des Druckers. Klipper rechnet diese mechanischen Eigenschwingungen bei schnellen Richtungswechseln durch gezielte, phasenverschobene Gegenimpulse an die Motoren einfach heraus. Das oft kritisierte Ghosting (Ringing) verschwindet fast vollständig. Erst durch Input Shaping können wir die Beschleunigung von den originalen 1.000 mm/s² auf 3.000 mm/s² oder mehr anheben, ohne dass die optische Qualität sinkt.
- Pressure Advance (Dynamische Extrusionskontrolle): Filament verhält sich im geschmolzenen Zustand wie eine zähe Feder, es entsteht Druck im Hotend. Bei Marlin führt dies bei hohen Geschwindigkeiten zu überschüssigem Material an Ecken (bauchige Kanten) und Unterextrusion nach dem Beschleunigen. Klipper berechnet mit Pressure Advance den internen Düsendruck extrem präzise voraus und steuert den Extrudermotor dynamisch gegen. Das Resultat sind gestochen scharfe 90-Grad-Ecken und eine extrem hohe Maßhaltigkeit der Bauteile, selbst wenn mit 150 mm/s gedruckt wird.
- Das Makro-System und G-Code-Variablen: Während klassische Firmwares starr G-Code abarbeiten, bringt Klipper eine eigene Skriptsprache auf Basis von Jinja2 mit. Ich kann komplexe Abläufe (Makros) schreiben, die Variablen, Wenn-Dann-Bedingungen und Schleifen enthalten. Ein Start-G-Code kann prüfen, welches Filament geladen ist, und das Homing-Verhalten, die Sensorless-Homing-Schwellenwerte oder das Bed-Mesh dynamisch daran anpassen. Das gibt mir Kontrolle über den Druckprozess, die mit Marlin schlichtweg nicht programmierbar ist.
- Echtes, natives Farm-Management: Mit integrierten Weboberflächen wie Mainsail oder Fluidd lässt sich der Drucker über das WLAN in mein Netzwerk integrieren. Im Gegensatz zur Lösung mit OctoPrint, welches als externes, teils träges Interface auf Marlin aufsetzt, ist die Weboberfläche bei Klipper nativ mit der API (Moonraker) verzahnt. Ich benötige keine Prusa-Cloud und keine externen Dienste. Ich schicke die G-Codes direkt aus dem Slicer über das Netzwerk, überwache Webcams und ändere Firmware-Konfigurationen in Echtzeit im Browser, ohne jemals ein Mainboard neu flashen zu müssen.
Kritische Betrachtung: Die neuen Fehlerquellen
Trotz all dieser massiven Vorteile wäre es fatal, die Nachteile auszublenden. Klipper erhöht die Komplexität des Gesamtsystems enorm. Fällt das heimische WLAN aus, ist der Drucker (sofern kein eigenes Display konfiguriert wurde) kaum noch zu bedienen. Tritt ein Fehler auf, ist die Fehlersuche oft zweigeteilt: Liegt das Problem im Linux-Betriebssystem des Raspberry Pi oder in der Hardware des Einsy-Boards? Zudem ist die initiale Konfiguration der printer.cfg eine steile Lernkurve, da falsche Einträge – anders als bei der durch Prusa geschützten Marlin-Firmware – dazu führen können, dass Motoren überhitzen oder Achsen ungebremst in den Rahmen fahren.
Ein weiteres, kritisches Nadelöhr ist die Thermodynamik. Wenn wir durch die Linearschienen und Klipper die Mechanik tatsächlich dazu bringen, mit 150 mm/s stabil zu drucken, wird das originale E3D V6 Hotend des Prusa an seine absolute physikalische Grenze stoßen. Das Heizelement und die Heizzone können das feste Filament schlichtweg nicht schnell genug aufschmelzen (die volumetrische Flussrate limitiert uns meist bei etwa 11 bis 15 mm³/s). Dieses Zusammenspiel aus Mechanik, Software und Thermik gilt es in diesem Projekt millimetergenau abzustimmen. Eine High-Flow-Düse wird hier im Verlauf des Projekts unumgänglich sein.
Der Masterplan: In 5 detaillierten Schritten zum optimierten MK3S
Um dieses komplexe Projekt strukturiert, analytisch und für jeden nachvollziehbar zu gestalten, habe ich es in fünf logische Bauabschnitte unterteilt. Ich lade Dich ein, diesen Prozess Schritt für Schritt zu begleiten. In den kommenden Beiträgen werden wir tief in die Praxis und die elektrotechnischen Details einsteigen.
- Schritt 1: Grundüberlegung und Konzept (Dieser Artikel). Die Definition der Hard- und Software-Ziele, die Analyse der Schwachstellen und die Planung für die Integration in eine bestehende, homogene Druckfarm.
- Schritt 2: Die elektronische Infrastruktur und das Host-System. Wir widmen uns der sicheren Stromversorgung. Es kommt ein zusätzliches 5V-Netzteil für den Pi zum Einsatz, wobei wir Ground-Loops und Ausgleichsströme elektrotechnisch sauber verhindern müssen. Ich drucke einen neuen Halter für die Netzteile und tausche das originale Einsy-Gehäuse gegen ein deutlich geräumigeres „BigEinsyCase“ aus. Das schafft Platz für ein sauberes Kabelmanagement, einen zusätzlichen Lüfter im Gehäusedeckel zur Kühlung der massiv beanspruchten Stepper-Treiber. Abschließend widmen wir uns der Integration des Raspberry Pi 3 B+.
- Schritt 3: Der Y-Achsen-Umbau und die Bett-Kalibrierung. Demontage der verschleißanfälligen Rundstangen, Druck der angepassten Halterungen und die exakte, parallelisierte Ausrichtung der MGN12 Linearschienen. Zudem zeige ich, wie ich bei der Montage des Heizbettes feste Silikon-Abstandshalter anstelle von Metall-Abstandshaltern verwende, um eine bessere mechanische Kalibrierung (Bed Leveling) zu erreichen, die der Super-Pinda die Arbeit erleichtert.
- Schritt 4: Der X-Achsen-Umbau. Die komplette Überarbeitung der X-Achse und des Extruder-Schlittens auf eine einzelne, versteifte Linearschiene. Hier passen wir die Druckteile für den Direct-Drive-Extruder an, routen den Kabelbaum neu und prüfen das Sensorless Homing unter den neuen, extrem reibungsarmen Bedingungen.
- Schritt 5: Klipper-Tuning und den Umbau bewerten. Sobald die Hardware mechanisch und elektrisch steht, kalibriere ich die Resonanzen (Input Shaping per Beschleunigungssensor), stelle das Pressure Advance für verschiedene Filamente ein, schreibe meine ersten Klipper-Makros und ziehe einen ehrlichen, datenbasierten Vergleich: Hat sich der Aufwand im direkten Vergleich zum Prusa-Werkszustand messbar gelohnt?
Dieses Projekt ist mehr als nur ein simples Drucker-Upgrade. Es ist eine bewusste Entscheidung gegen den schnellen, unreflektierten Konsum und für das tiefe Verständnis der eigenen Werkzeuge. Wenn Du Maschinen in Deiner Werkstatt stehen hast, die Du selbst von der Mechanik bis in die letzte Zeile des Quellcodes verstehst, reparieren und anpassen kannst, bist Du völlig unabhängig von den Launen, den Ersatzteil-Lieferketten und den Software-Sperren der großen Hersteller.
Während ich diese Zeilen schreibe, läuft der 10-stündige Druck für das neue Unterteil des Einsy-Gehäuses auf einem meiner anderen Maschinen bereits auf Hochtouren, und die bestellten MGN12 Linearschienen sollten in den nächsten ein bis zwei Tagen eintreffen. Im nächsten Beitrag steige ich direkt in den Umbau der Elektronik, das Flashen der SD-Karte und die Einbindung des Raspberry Pi ein.
Wenn Du Dich im Vorfeld detaillierter einlesen möchtest: Weitere offizielle, technische Spezifikationen zur Klipper-Architektur und den Makro-Möglichkeiten findest Du direkt in der Dokumentation auf Klipper3d.org, und die technischen Maßangaben zu den verbauten Prusa-Komponenten sind in der Prusa Knowledge Base exzellent dokumentiert.
11 Aug. 2026
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Der Markt für 3D-Drucker hat sich in den letzten zwei bis drei Jahren radikal gewandelt. Wer heute die einschlägigen Foren, Blogs und Videoplattformen besucht, wird unweigerlich mit einer sehr klaren, fast schon dogmatischen Botschaft konfrontiert: CoreXY-Systeme sind der neue, absolute Standard. Sie sind ab Werk unfassbar schnell, werden zu aggressiven Preisen auf den Markt geworfen und bieten eine Anwenderfreundlichkeit, die vor wenigen Jahren noch undenkbar schien. Die logische Frage, die sich jedem Betrachter sofort stellt, lautet daher: Warum in aller Welt investiere ich Zeit, Geld, Nerven und Konstruktionsaufwand in einen Prusa MK3S Klipper und Linearschienen Umbau, um einen in die Jahre gekommenen, klassischen „Bed Schubser“ aufwendig zu modifizieren?
Die Antwort auf diese berechtigte Frage ist nicht in Benchmarks oder Geschwindigkeitsrekorden zu finden, sondern in der grundlegenden Architektur einer effizienten, auf Zuverlässigkeit getrimmten Druckfarm. Kürzlich habe ich einen gebrauchten Prusa i3 MK3S zu einem äußerst attraktiven Preis angeboten bekommen. Statt diesen Drucker einfach nach Schema F in Betrieb zu nehmen, dient er mir nun als Basis für ein weiteres Umbauprojekt. Ich möchte herausfinden, inwieweit sich durch den Einsatz der Klipper-Firmware in Kombination mit einer Modifikation der mechanischen Führungen die Leistungsfähigkeit dieses Systems steigern lässt.
Inhalt
Die Philosophie der homogenen Druckfarm: Ein logischer Ansatz
Wenn man lediglich einen einzigen 3D-Drucker als Hobby betreibt, ist die Jagd nach dem neuesten, schnellsten Modell auf dem Markt extrem verlockend. Sobald man jedoch eine kleine Druckfarm hat, bei der Ausfallzeiten direkten Einfluss auf die Produktivität haben, ändern sich die Spielregeln von Grund auf. In meiner kleinen Druckfarm haben sich Eigenbauten auf Prusa-Basis sowie mehr oder weniger stark modifizierte Prusa-Maschinen seit mittlerweile über fünf Jahren im harten Dauereinsatz bewährt. Diese Beständigkeit ist kein historischer Zufall, sondern das Resultat einer bewussten Systementscheidung.
Die Homogenität der eingesetzten Maschinen ist der mit Abstand wichtigste Hebel für eine geringe Ausfallzeit und einen skalierbaren Betrieb. Wenn alle Drucker auf demselben Fundament stehen, nutzen sie die gleichen 24V-Heizpatronen, dieselben Semitec-Thermistoren, identische Gates-Zahnriemen und vergleichbare Extruder-Geometrien. Dies reduziert die Kapitalbindung in der Ersatzteilhaltung enorm. Fällt an einem Freitagabend eine mechanische oder elektronische Komponente aus, greife ich blind in meine Sortimentskiste und die Maschine produziert eine halbe Stunde später wieder Bauteile. Bei den neuen, hochintegrierten Maschinen auf dem Markt gibt es oft proprietäre, geschlossene Baugruppen, die zwingend beim Hersteller (in Übersee) bestellt werden müssen. Eine Wartezeit von zwei Wochen auf ein Ersatzteil ist in einer funktionierenden Farm schlichtweg inakzeptabel.
Darüber hinaus profitiert das Software- und Daten-Management von dieser Einheitlichkeit. Ich muss in meinem Slicer nicht für völlig unterschiedliche Kinematiken völlig neue, komplexe Profile für Retract, Volumetric Flow oder Beschleunigung von Grund auf neu ermitteln. Ich kenne die Resonanzen, die thermischen Grenzen und die mechanischen Eigenheiten des Prusa i3-Designs mittlerweile in- und auswendig. Diese extrem steile Lernkurve, die ich mir in den letzten Jahren durch unzählige Druckstunden erarbeitet habe, ist ein immens wertvolles Kapital. Genau deshalb ergibt es für mich und meine spezifische Nutzung absolut Sinn, bei dieser etablierten mechanischen Plattform zu bleiben und den Maschinenpark um einen weiteren, modifizierten MK3S zu ergänzen.
Nun muss ich noch ergänzen, dass ich keine kommerzielle Druckfarm betreibe. Es ist eher Hobby, ich drucke an sich ausschließlich für mich und mein Umfeld. Aber die Möglichkeiten, die ein 3D-Drucker bietet, schaffen halt auch Bedarf, und wenn ich mehrere Bauteile brauche, dann habe ich diese halt schneller zur Hand. Der zweite Vorteile dabei: Ich kann in den verschiedenen Druckern verschiedene Materialien rüsten und muss dann nicht jedesmal den einen Drucker umrüsten. Letztendlich ist der Bau und die Verbesserung der Drucker selbst auch Teil meiner Leidenschaft.
Die mechanischen Grenzen des Prusa MK3S: Warum LM8UU versagen
Der Prusa MK3S ist ab Werk eine für seine Zeit fantastische, durchdachte und äußerst zuverlässige Maschine. Doch wenn ich analytisch auf die Mechanik blicke, zeigen sich konstruktive Elemente, die für den Massenmarkt und moderate Geschwindigkeiten extrem sinnvoll, für maximale Performance unter Klipper jedoch stark limitierend sind. Die Führung der X- und Y-Achse erfolgt über gehärtete Stahlrundstangen in Kombination mit LM8UU-Linearlagern.
Dieses kinematische System funktioniert einwandfrei, solange es penibel geschmiert ist, die Toleranzen der Stangen exakt stimmen und die Beschleunigungskräfte niedrig bleiben. Doch unter der Belastung von Klipper-typischen Profilen ändert sich die Physik. Die LM8UU-Lager leiten die Last nur über winzige, punktuelle Kontaktflächen der innenliegenden Stahlkugeln auf die Rundstange ab. Wenn wir nun die Beschleunigung der Y-Achse drastisch erhöhen, steigt die Trägheitskraft des schweren Heizbettes enorm an. Diese Kräfte drücken die Kugeln in die Oberfläche der Rundstangen. Im Dauerbetrieb unter diesen Bedingungen neigen die Kugelreihen dazu, mikroskopische Riefen in den Stahl einzuarbeiten. Sobald hier auch nur ein wenig Spiel entsteht, überträgt sich dies als Vibration oder unsauberes Druckbild (das gefürchtete Ghosting oder Ringing) direkt auf das Bauteil. Zudem ist die Haftreibung dieses Systems im Vergleich zu modernen Schienen spürbar höher.
Genau hier setze ich mit dem ersten großen mechanischen Upgrade an: Dem Wechsel auf MGN12 Linearschienen. Ein Y-Achsen-Umbau auf Linearschienen hat sich bei meinen anderen modifizierten Druckern bereits in der Praxis bewährt. Eine Linearschiene nutzt einen Laufwagen, dessen Kugelumlauf eine deutlich größere Kontaktfläche zur Schiene hat. Die Lastverteilung ist optimiert. Die Konstruktion wird dadurch um ein Vielfaches verwindungssteifer. Das schwere Heizbett, welches bei schnellen, zackigen Richtungswechseln enorme Massenträgheit entwickelt, wird durch die breiten MGN12H-Schlitten absolut spielfrei und leichtgängig geführt.
Bei diesem Projekt gehe ich noch einen Schritt weiter als in der Vergangenheit und werde auch die X-Achse auf eine Linearschiene umbauen. Der komplette X-Schlitten inklusive des schweren Direct-Drive-Extruders wird dadurch weitaus präziser und ohne das typische „Verdrehen“ der zwei Rundstangen geführt. Das primäre Ziel dieser Modifikation ist es, sogenannte VFA-Artefakte (Vertical Fine Artifacts) auf den gedruckten Oberflächen zu minimieren und ein mechanisches Fundament zu schaffen, das Beschleunigungswerte jenseits der 3.000 mm/s² dauerhaft und ohne Verschleißerscheinungen verkraftet.
Die massiven Verbesserungen durch Klipper
Die Aufrüstung der Mechanik ist, kritisch betrachtet, nur die halbe Wahrheit. Das wahre, entfesselte Potenzial dieses Umbaus liegt in der Steuerungselektronik und der zugrunde liegenden Logik. Der Prusa MK3S nutzt das bewährte Einsy Rambo Mainboard. Es ist industriell robust, verfügt über exzellente Trinamic-Schrittmotortreiber (TMC2130) und bietet clevere Funktionen wie das sensorlose Homing. Der gewaltige Flaschenhals dieses Systems liegt jedoch im verbauten Hauptprozessor: Dem 8-Bit ATmega2560.
Dieser Mikrocontroller arbeitet strikt linear. Er muss die eintreffenden G-Code-Befehle von der SD-Karte lesen, interpretieren, in Mikroschritte umrechnen, das Display ansteuern und permanent die Temperaturen überwachen – alles absolut zeitgleich. Wenn wir durch den Linearschienen-Umbau die Mechanik nun befähigen, weitaus schneller zu verfahren, bricht dieser 8-Bit-Prozessor unter der Last der Berechnungen zusammen. Er kann schlichtweg nicht schnell genug rechnen, um die Motoren bei hohen Geschwindigkeiten und komplexen Kurven flüssig anzusteuern. Die unvermeidbare Folge sind Mikroruckler, Stottern, kurze Pausen und daraus resultierende, hässliche Filament-Blobs auf der Außenhaut des Bauteils.
Hier greift Klipper ein und ändert die gesamte Architektur der Maschine radikal. Klipper trennt die schwere Mathematik von der reinen Bewegungsausführung. Die komplexe Pfadberechnung, die Vorausplanung der Bewegungen (Look-ahead) und die Kinematik werden komplett vom Einsy-Board abgezogen und auf einen deutlich leistungsstärkeren Einplatinencomputer ausgelagert. In meinem Projekt übernimmt diese anspruchsvolle Aufgabe ein Raspberry Pi 3 B+.
Das originale Einsy Rambo wird durch diesen Prozess zu einem reinen, passiven Befehlsempfänger (einer sogenannten MCU – Microcontroller Unit) degradiert. Der Raspberry Pi berechnet die Kinematik im Vorfeld und sendet präzise, zeitlich exakt getaktete Mikroschritt-Anweisungen über USB an das Einsy-Board. Die Rechenleistung für den Drucker steigt dadurch um ein Vielfaches.
Die vier Kernvorteile des Klipper-Einsatzes
Die Annahme, dass Klipper allein durch seine Rechenleistung den Drucker mechanisch schneller macht, ist physikalisch falsch. Klipper liefert „nur“ die überlegene Software-Basis, um mechanische Limitierungen durch hochentwickelte Algorithmen auszutricksen. Die konkreten Verbesserungen, die diesen Umbau rechtfertigen, lassen sich in vier elementaren Punkten zusammenfassen:
Kritische Betrachtung: Die neuen Fehlerquellen
Trotz all dieser massiven Vorteile wäre es fatal, die Nachteile auszublenden. Klipper erhöht die Komplexität des Gesamtsystems enorm. Fällt das heimische WLAN aus, ist der Drucker (sofern kein eigenes Display konfiguriert wurde) kaum noch zu bedienen. Tritt ein Fehler auf, ist die Fehlersuche oft zweigeteilt: Liegt das Problem im Linux-Betriebssystem des Raspberry Pi oder in der Hardware des Einsy-Boards? Zudem ist die initiale Konfiguration der
printer.cfgeine steile Lernkurve, da falsche Einträge – anders als bei der durch Prusa geschützten Marlin-Firmware – dazu führen können, dass Motoren überhitzen oder Achsen ungebremst in den Rahmen fahren.Ein weiteres, kritisches Nadelöhr ist die Thermodynamik. Wenn wir durch die Linearschienen und Klipper die Mechanik tatsächlich dazu bringen, mit 150 mm/s stabil zu drucken, wird das originale E3D V6 Hotend des Prusa an seine absolute physikalische Grenze stoßen. Das Heizelement und die Heizzone können das feste Filament schlichtweg nicht schnell genug aufschmelzen (die volumetrische Flussrate limitiert uns meist bei etwa 11 bis 15 mm³/s). Dieses Zusammenspiel aus Mechanik, Software und Thermik gilt es in diesem Projekt millimetergenau abzustimmen. Eine High-Flow-Düse wird hier im Verlauf des Projekts unumgänglich sein.
Der Masterplan: In 5 detaillierten Schritten zum optimierten MK3S
Um dieses komplexe Projekt strukturiert, analytisch und für jeden nachvollziehbar zu gestalten, habe ich es in fünf logische Bauabschnitte unterteilt. Ich lade Dich ein, diesen Prozess Schritt für Schritt zu begleiten. In den kommenden Beiträgen werden wir tief in die Praxis und die elektrotechnischen Details einsteigen.
Dieses Projekt ist mehr als nur ein simples Drucker-Upgrade. Es ist eine bewusste Entscheidung gegen den schnellen, unreflektierten Konsum und für das tiefe Verständnis der eigenen Werkzeuge. Wenn Du Maschinen in Deiner Werkstatt stehen hast, die Du selbst von der Mechanik bis in die letzte Zeile des Quellcodes verstehst, reparieren und anpassen kannst, bist Du völlig unabhängig von den Launen, den Ersatzteil-Lieferketten und den Software-Sperren der großen Hersteller.
Während ich diese Zeilen schreibe, läuft der 10-stündige Druck für das neue Unterteil des Einsy-Gehäuses auf einem meiner anderen Maschinen bereits auf Hochtouren, und die bestellten MGN12 Linearschienen sollten in den nächsten ein bis zwei Tagen eintreffen. Im nächsten Beitrag steige ich direkt in den Umbau der Elektronik, das Flashen der SD-Karte und die Einbindung des Raspberry Pi ein.
Wenn Du Dich im Vorfeld detaillierter einlesen möchtest: Weitere offizielle, technische Spezifikationen zur Klipper-Architektur und den Makro-Möglichkeiten findest Du direkt in der Dokumentation auf Klipper3d.org, und die technischen Maßangaben zu den verbauten Prusa-Komponenten sind in der Prusa Knowledge Base exzellent dokumentiert.