Thermistoren und Thermoelemente. Arten und häufige Probleme

FFF-3D-Drucker können verschiedene Arten von Temperatursensoren verwenden, wobei die gängigsten NTC-Thermistoren, Thermoelemente und PT100-Sonden sind.

NTC-Thermistoren

Thermistoren sind die gängigsten, billigsten und am einfachsten zu implementierenden Sensoren, da sie direkt an die Druckerplatine angeschlossen werden. Da es sich um ein Element handelt, das seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, muss der Drucker über die RT-Tabelle (Widerstand gegen Temperatur) des verwendeten Modells in seiner Firmware vorkonfiguriert sein. Wenn Sie einen Thermistor durch ein anderes Modell ersetzen wollen, müssen Sie unbedingt die Firmware des Druckers einschließlich der spezifischen RT-Tabelle des neuen Modells ändern, da sonst die Temperaturmessungen falsch sind. Wenn es nicht möglich ist, die Drucker-Firmware zu ändern, muss der Thermistor immer durch einen identischen ersetzt werden. Zu ihren Hauptnachteilen gehört, dass sie keine lineare Reaktion liefern und im Allgemeinen nicht für hohe Temperaturen (über 300 ºC) geeignet sind.

Bild 1: NTC-Thermistor. Quelle: Filament2print

Es gibt zwei Hauptursachen für Probleme mit Thermistoren:

• Falsche Konfiguration der Parameter in der Firmware: Wie bereits erwähnt, ist es wichtig, dass die Drucker-Firmware die spezifischen RT-Werte für ein bestimmtes Thermistormodell konfiguriert hat, um die gemessenen Widerstandswerte genau in reale Temperaturwerte umzuwandeln. Alle Thermistorhersteller stellen RT-Daten für jedes Modell zur Verfügung, und Firmware wie Marlin oder RepRap FW enthält RT-Tabellen für die gängigsten Modelle.

• Schlechter Zustand von Kabeln oder Anschlüssen: Ein Kabel in schlechtem Zustand, eine schlechte Verbindung oder eine übermäßige Kabellänge kann den von der Karte gemessenen Widerstand erhöhen, was zu fehlerhaften Temperaturmessungen führt. Es ist wichtig, den Zustand der Thermistorkabel und -anschlüsse regelmäßig zu überprüfen. Der Thermistor muss direkt an die Platine angeschlossen werden, wobei die Verwendung von Anschlusssteckern oder -verbindern zu vermeiden und die erforderliche Mindestlänge zu verwenden ist. Wenn Schnellverbinder verwendet werden, müssen sie von höchster Qualität und korrekt gecrimpt sein. Um festzustellen, ob ein Thermistor korrekt eingebaut ist, misst man am besten mit einem Multimeter den Widerstand am Anschluss auf der Platine und prüft, ob er bei 25 °C mit den Angaben in der RT-Tabelle übereinstimmt.

Thermoelemente

Sie bestehen aus einer Bimetallverbindung, die ihre Leitfähigkeit je nach Temperatur verändert. Es gibt verschiedene Typen, wobei der Typ K aufgrund des weiten Temperaturbereichs, den er abdeckt (-200 ºC - 1400 ºC), im 3D-Druck am häufigsten verwendet wird. Sie sind sehr wirtschaftlich und austauschbar, haben jedoch zwei wichtige Einschränkungen:

• Sie haben eine sehr geringe Genauigkeit (besser als ºC).

• Sie erfordern die Installation von Verstärkerplatten, um verwendet werden zu können.

Bis vor kurzem waren sie die gängigste Lösung für Hochtemperatur-3D-Drucker, aber sie wurden durch andere Technologien wie Hochtemperatur-Thermistoren oder PT100-Sonden verdrängt.

Bild 2: Thermoelement Typ K. Quelle: RS Componentes

Die Hauptursachen für Probleme sind:

• Schlechter Zustand der Verkabelung oder der Anschlüsse: Wie bei Thermistoren wird die Temperatur durch Messung des Widerstands des Thermoelements bestimmt, so dass Defekte in der Verdrahtung oder den Steckern zu fehlerhaften Temperaturmessungen führen.

• Elektrisches Rauschen: Thermoelemente sind empfindlich gegenüber elektrischem Rauschen, so dass das Auftreten dieses Rauschens im Stromkreis die Messungen verändert.

RTD-Sonden

Ähnlich wie die NTC-Thermistoren bestehen sie aus einem Metall, dessen elektrischer Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Im Gegensatz zu NTC-Thermistoren, bei denen der Widerstand mit der Temperatur abnimmt, steigen die Widerstandsthermometer mit der Temperatur. Das bedeutet, dass sie viel höhere Temperaturen als Thermistoren messen können, nämlich bis zu 600 °C. Obwohl sie über einen großen Temperaturbereich sehr genau sind, haben sie den Nachteil, dass sie teurer sind und wie Thermoelemente zusätzliche Elektronik benötigen, was ihre Kosten weiter erhöht und ihre Installation erschwert. Der gebräuchlichste Widerstandsthermometer-Typ ist der bekannte PT100-Fühler.

Bild 3: PT100-Sonde mit Verstärkerplatte. Quelle: E3D.

Im Allgemeinen bereiten sie weniger Probleme als NTC-Thermistoren und Thermoelemente, aber wie in den vorhergehenden Fällen ist es wichtig, den Zustand der Kabel und Steckverbinder zu überprüfen, da ihr Betrieb ebenfalls auf der Messung des elektrischen Widerstands beruht.

Temperaturbedingte Probleme

In vielen Fällen hängen Temperaturprobleme nicht mit dem Sensor selbst zusammen, sondern mit dem Temperaturkontrollmodell und den Sicherheitseinstellungen des Druckers. Zur Steuerung der Temperatur verwenden FFF-3D-Drucker ein pulsfrequenzbasiertes Modell, das als PID bekannt ist. Die Koeffizienten dieses Modells bestimmen die Häufigkeit der Impulse, die erforderlich sind, um eine höhere oder niedrigere Erwärmungsrate zu erreichen, so dass die korrekte Einstellung dieser Parameter für eine genaue Temperaturregelung unerlässlich ist. Aus diesem Grund verfügen die meisten 3D-Drucker über eine Funktion namens PID-Kalibrierung, die diese Parameter automatisch bestimmt. Es ist ratsam, diese Kalibrierung in regelmäßigen Abständen vorzunehmen.

Darüber hinaus ist es üblich, dass 3D-Drucker Sicherheitsalgorithmen implementieren, die die Heizung abschalten, wenn die erreichten Heizgeschwindigkeiten oder Temperaturen nicht mit denen des Modells übereinstimmen. In diesen Fällen treten häufig Temperaturfehler auf. Wenn sie erscheinen, sollte Folgendes überprüft werden:

• Der Status der Temperatursensoren

• Der thermische Wirkungsgrad der Hotend
• Das Schichtgebläse ist nicht auf den Heizblock gerichtet und kühlt diesen.
• Der Heizblock darf nicht mit dem Kühlkörper der Heizeinheit in Berührung kommen.
• Führen Sie eine PID-Kalibrierung durch.

Hinweis: In diesem Leitfaden werden Konzepte in allgemeiner Form erörtert und nicht auf eine bestimmte Marke oder ein bestimmtes Modell eingegangen, auch wenn diese an einigen Stellen erwähnt werden. Die Kalibrierungs- oder Einstellverfahren können sich von Marke zu Marke und von Modell zu Modell erheblich unterscheiden. Es wird daher empfohlen, vor dem Lesen dieses Leitfadens das Handbuch des Herstellers zu konsultieren.