Welche Spannung ist zu wählen: 12 V oder 24 V?

Viele Komponenten von 3D-Druckern sind in zwei Varianten erhältlich: 12 V und 24 V, und das gilt auch für 3D-Drucker selbst. Diese Eigenschaft muss bei jeder Aufrüstung des 3D-Druckers berücksichtigt werden, z. B. beim Austausch von Extrudern, Hotends oder anderen Komponenten. Aber was bedeutet das alles für den Benutzer?

12 V und 24 V sind Spannungen, die bei diesen beiden Optionen am häufigsten vorkommen. Genauer gesagt handelt es sich um Ausgangsspannungen, die mit dem Netzteil des 3D-Druckers zu tun haben. Ein Netzteil ist ein Gerät, dessen Aufgabe es ist, eine elektrische Last mit Strom zu versorgen, ein Gerät, das elektrischen Strom aufnimmt und ihn in andere Energieformen wie Wärme oder Licht umwandelt. In 3D-Druckern versorgt das Netzteil alle wichtigen Komponenten wie die Lüfter, das Heizbett oder das Hotend mit Strom. Ohne die erforderliche Mindeststromversorgung oder mit einer zu hohen Stromversorgung können diese Elemente des 3D-Druckers nicht richtig funktionieren.

Bild 1: Die Spezifikation der Ausgangsspannung eines Schrittschalttreibers. Quelle: Dyze Design.

Ein Netzteil empfängt 110 bis 240 V aus der Steckdose und wandelt sie mit Hilfe eines Transformators in 12 bis 24 V um, eine Spannung, die für Geräte besser geeignet ist. Außerdem verfügt das Netzteil über eine Gleichrichterschaltung, ein Element, das für die Umwandlung des Wechselstroms aus der Steckdose in den Gleichstrom, den ein 3D-Drucker benötigt, verantwortlich ist.

Bild 2: AC-Eingangs- und DC-Ausgangsanschlüsse an einem Netzteil. Quelle: Dyze Design.

Ein 3D-Druckernetzteil hat in der Regel die folgenden Spezifikationen:

• Die Nennspannung(en): Diese Werte geben an, welche Wechselspannung das Netzteil aus der Steckdose bezieht - 110 V @ 60 Hz oder 240 V @ 50 Hz (wie im Bild oben zu sehen). Normalerweise kann dies durch Umlegen eines Schalters an der Seite des Netzgeräts geändert werden.
• Die Ausgangsspannung: Dieser Wert gibt die Spannung des Gleichstroms an, den das Netzteil nach der Umwandlung des Wechselstroms liefern kann. Dieser Wert variiert von Netzteil zu Netzteil, aber ein Netzteil kann nur eine bestimmte Spannung unterstützen: entweder 12 V oder 24 V. Dies ist entscheidend, da die Komponenten eines 3D-Druckers ebenfalls für eine bestimmte Spannung ausgelegt sind und mit der Ausgangsspannung des Netzteils übereinstimmen sollten. Die Verwendung einer 12-V-Komponente mit einem 24-V-Gerät führt dazu, dass die Komponente mit der doppelten Geschwindigkeit arbeitet, für die sie ausgelegt ist, was zu Überhitzung, Rauchentwicklung, Verbrennung der Hauptplatine und sogar zu einer Explosion oder einem Brand führen kann. Ein weiteres Problem ergibt sich im Falle eines Kurzschlusses. Das Netzteil könnte den gesamten überschüssigen Strom in die Komponente entladen und so Schäden verursachen. Das kann bei jedem Netzteil passieren, aber bei einem Netzteil mit geringerer Leistung (12 V) würde weniger Energie in das angeschlossene Bauteil entladen als bei einem 24-V-Netzteil. Um dies zu verhindern, ist es ratsam, einen DC-DC-Wandler zu verwenden, der die Spannung von 24 V auf 12 V absenkt. Umgekehrt führt die Verwendung von 24-V-Komponenten mit einem 12-V-3D-Drucker zu einem Leistungsabfall, da die Komponenten nicht genügend Spannung erhalten, um zu funktionieren. In diesem Fall sollte der Benutzer auf einen Spannungsbooster zurückgreifen, der die vom Netzteil gelieferten 12 V in die erforderlichen 24 V umwandelt.
• Der Ausgangsstrom (Amperezahl): Dies ist die höchste Amperezahl, die das Netzteil liefern kann. Im Fall des Netzteils in der Abbildung oben beträgt dieser Wert 30 A. Die Spezifikation des Ausgangsstroms wirkt sich darauf aus, wie viele Heizungen ein 3D-Drucker haben kann und wie heiß ein Heizbett werden kann.
• Die Gesamtwattzahl: Dieser Wert gibt an, wie viel Leistung das Netzteil pro Sekunde liefern kann. Sie wird durch Multiplikation der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms (Amperezahl) berechnet. So kann ein 12-V-Netzteil mit einer maximalen Stromstärke von 30 A eine Leistung von 360 W liefern.

Die Aufgabe des Netzteils besteht hauptsächlich darin, Strom zu empfangen, umzuwandeln und zu liefern, aber es hat auch einige andere Aufgaben zu erfüllen. Das Netzteil ist auch dafür verantwortlich, den empfangenen Strom mit Hilfe der elektrischen Last auf ein sicheres Niveau zu begrenzen und den Strom im Falle eines elektrischen Fehlers abzuschalten.

Eine weitere Aufgabe des Netzteils besteht darin, elektronisches Rauschen oder Spannungsspitzen davon abzuhalten, die elektrische Last zu erreichen, und Energie zu speichern, damit das Netzteil im Falle einer vorübergehenden Unterbrechung der Stromversorgung die elektrische Last weiterhin mit Strom versorgen kann.

Welche Spannung ist besser?

Wenn es um die Wahl der Spannung einer Komponente für einen 3D-Drucker geht, z. B. einer Heizpatrone, eines Hotends, eines Extruders oder eines Lüfters, sollte die Spannung dieser Komponenten immer mit der Ausgangsspannung des 3D-Druckers übereinstimmen, oder es sollte ein DC-DC-Wandler oder ein Spannungsbooster verwendet werden.

Bei der Auswahl eines neuen Netzteils für einen 3D-Drucker gibt es einige Faktoren zu berücksichtigen. Ein 24-V-Netzteil benötigt nur etwa halb so viele Kabel wie ein 12-V-Netzteil. Der Grund dafür ist, dass je höher die Spannung ist, desto weniger Strom fließt durch das Netzteil (um die gleiche Leistung zu erhalten, wird nur die Hälfte des Stroms benötigt), was eine Verringerung der Größe der Kabel ermöglicht. Dies wiederum bedeutet eine Verringerung der Kosten für das Kabel und der Menge an Kupfer, die zu seiner Herstellung abgebaut werden muss.

Bild 3: Eine 12-V- (oben) und eine 24-V-Leitung (unten). Quelle: Dyze Design.

Einige bemerkenswerte Vorteile der Verwendung eines 24-V-Netzteils beim 3D-Druck sind folgende:

• Das Heizbett und das Heiße Ende brauchen weniger Zeit zum Aufwärmen.
• Das Drehmoment der Stepper ist höher, was sich am Extruder deutlich bemerkbar macht.
• Die Stepper erzeugen weniger Lärm.

12-V-Netzteile eignen sich für den Betrieb von Geräten direkt an der Batterie. Der Nachteil eines 12-V-Netzteils ist, dass es für den Betrieb von 24-V-Geräten einen Spannungserhöher benötigt und die Verkabelung teurer ist, da mehr Kupfer benötigt wird.

Wie man das Netzteil des 3D-Druckers überprüft

Beim Kauf eines 3D-Druckers, egal ob neu oder gebraucht, sollte der Benutzer darauf achten, die tatsächliche Netzspannung des 3D-Druckers herauszufinden. Manchmal reicht die Einsichtnahme in das technische Datenblatt nicht aus, da das Netzteil möglicherweise vom Hersteller verändert wurde und das technische Datenblatt nicht aktualisiert wurde. Bei gebrauchten 3D-Druckern kann der Vorbesitzer das Netzteil verändert haben, ohne dies kenntlich zu machen. Daher ist es am besten, das Netzteil des 3D-Druckers immer direkt am Drucker zu überprüfen, bevor Sie irgendwelche Aufrüstungskomponenten kaufen oder einbauen. Wenn ein neues Netzteil gekauft wird, sollte auch sichergestellt werden, dass es ordnungsgemäß funktioniert, bevor es in den 3D-Drucker eingebaut wird.

Das Netzteil ist in der Regel ein großer, silberner, rechteckiger Kasten. Einige Netzteile sind separate, eigenständige Geräte, wie beim Creality CR-10 V3 3D-Drucker, während sie bei anderen Druckern in die Hauptstruktur integriert sind, wie beim Anycubic Vyper 3D-Drucker oder dem Artillery Genius 3D-Drucker.

Bild 4: Von links nach rechts: das Netzteil eines Creality CR-10 V3, Anycubic Vyper und Artillery Genius 3D-Druckers. Quelle: Creality, Anycubic und Artillery.

Zunächst sollte die Ausgangsspannung des Netzteils anhand des Etiketts auf dem Netzteil überprüft werden, wie in der Abbildung unten gezeigt.

Bild 5: Die Spezifikation der Ausgangsspannung eines Netzteils. Quelle: E3D.

Wenn das Netzteil keine Angaben zur Ausgangsspannung enthält, kann diese mit Hilfe eines Voltmeters oder Multimeters überprüft werden. Dabei ist zu bedenken, dass elektronische Geräte immer mit äußerster Sorgfalt und Sicherheitsmaßnahmen behandelt werden sollten. Das richtige Erkennen der Ausgangsspannung eines 3D-Druckers wird in einem Tutorial-Video von Anycubic demonstriert.

Video 1: Eine Anleitung, wie man ein Netzteil erkennt und austauscht. Quelle: Anycubic.

Dieser Prozess kann in den folgenden 3 Schritten wieder aufgenommen werden:

1. Bevor Sie das Netzteil berühren oder Kabel abziehen, sollten Sie den Drucker von der Steckdose abtrennen. Wenn keine ESD-Schutzmaßnahmen, wie z. B. eine Erdungsmatte, vorhanden sind, kann die Erdung durch Berühren von Metallgegenständen, z. B. eines Heizkörpers, erfolgen. Der angesammelte Strom wird in das Metall fließen, da dieses einen besseren Stromleiter darstellt.
2. Nach 30 Sekunden kann dann das Netzteil des 3D-Druckers gefahrlos berührt werden. Es ist sehr wichtig, dass ESD-Ereignisse in der Nähe des 3D-Druckers vermieden werden. Selbst wenn bei der Entladung kein "Kick" zu spüren ist, können die elektronischen Komponenten des Druckers beschädigt werden. Die 30-Sekunden-Frist ist entscheidend, da einige billigere Platinen/PSUs nicht mit Ableitwiderständen ausgestattet sind, um Kondensatoren schnell zu entladen.
3. Der dritte Schritt besteht darin, die Spannung an allen Ausgangsklemmen zu überprüfen, wobei darauf zu achten ist, dass die Eingangsnetzklemmen nicht berührt oder kurzgeschlossen werden. Die Anzeige auf dem Voltmeter sollte annähernd mit der angegebenen Ausgangsspannung übereinstimmen. Eine etwas höhere Spannung hilft bei einem unterversorgten Heizbett, andere Komponenten können überversorgt sein.

Die Kenntnis der Ausgangsspannung des Netzteils und des 3D-Druckers ist entscheidend für die richtige Auswahl der Druckerkomponenten und die Vermeidung gefährlicher Folgen einer Unter- oder Überspannung der Komponenten und des 3D-Druckers. 3D-Drucker können zwar sowohl mit 12-V- als auch mit 24-V-Netzteilen betrieben werden oder haben sogar die Möglichkeit, zwischen den Spannungen umzuschalten, die vorteilhaftere Option ist jedoch ein 24-V-Netzteil, da es weniger Strom benötigt, um die gleiche Strommenge zu erzeugen, seine Verkabelung kleiner ist und es einige Vorteile für die Leistung des 3D-Druckers bietet.