Thermistoren und Thermoelemente. Arten und häufige Probleme

FFF-3D-Drucker können verschiedene Arten von Temperatursensoren verwenden, wobei NTC-Thermistoren, Thermoelemente und PT100-Sonden am häufigsten vorkommen.

NTC-Thermistoren

Thermistoren sind der häufigste, wirtschaftlichste und einfachste Sensor, da sie direkt mit dem Druckerboard verbunden sind. Sie sind ein Element, das seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, daher muss der Drucker die spezifische RT-Tabelle (Widerstand versus Temperatur) im Firmware für das verwendete Modell vorab konfiguriert haben. Wenn ein Thermistor durch ein anderes Modell ersetzt werden soll, ist es unerlässlich, die Drucker-Firmware zu ändern, um die spezifische RT-Tabelle des neuen Modells einzuschließen; sonst sind die Temperaturmessungen falsch. Wenn es nicht möglich ist, die Drucker-Firmware zu ändern, ist es unerlässlich, den Thermistor immer durch einen identischen zu ersetzen. Zu den Hauptnachteilen gehören das Fehlen einer linearen Antwort und die generelle Ungeeignetheit für hohe Temperaturen (über 300 °C).

Bild 1: NTC-Thermistor. Quelle: Filament2print

Die Hauptursachen für Probleme mit Thermistoren sind zwei:

• Falsche Parameterkonfiguration in der Firmware: Wie bereits erwähnt, ist es unerlässlich, dass die Drucker-Firmware die spezifischen RT-Werte eines bestimmten Thermistor-Modells konfiguriert hat, um die gemessenen Widerstandswerte genau in reale Temperaturwerte umzuwandeln. Alle Hersteller von Thermistoren liefern ihre eigenen RT-Daten für jedes Modell, und Firmware wie Marlin oder RepRap FW enthalten RT-Tabellen für die gängigsten Modelle.

• Schlechter Zustand der Kabel oder Verbindungen: Genau wie bei Thermistoren wird die Temperatur durch Messen des Widerstands des Thermistors bestimmt. Defekte in der Verkabelung oder den Steckverbindern führen daher zu fehlerhaften Temperaturmessungen. Es ist unerlässlich, den Zustand der Thermistorkabel und -verbindungen regelmäßig zu überprüfen. Der Thermistor muss direkt an die Platine angeschlossen werden, wobei Verbindungen oder Stecker vermieden und die minimal erforderliche Länge verwendet werden sollten. Bei der Verwendung von Schnellverbindern sollten diese von höchster Qualität sein und korrekt gecrimpt werden. Um festzustellen, ob ein Thermistor korrekt installiert ist, sollte der Widerstand am Anschluss der Platine mit einem Multimeter gemessen werden, um festzustellen, ob er dem in der RT-Tabelle bei 25 °C angegebenen Wert entspricht.

Thermoelemente

Sie bestehen aus einer bimetallischen Verbindung, die ihre Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Es gibt mehrere Typen, wobei Typ K aufgrund des breiten Temperaturbereichs (-200 °C bis 1400 °C) am häufigsten in der 3D-Druck verwendet wird. Sie sind sehr kostengünstig und austauschbar, haben jedoch zwei wichtige Einschränkungen:

• Sehr geringe Genauigkeit (über 1 °C).

• Es sind Verstärkerplatten erforderlich, um sie verwenden zu können.

Bis vor kurzem waren sie die üblichste Lösung für Hochtemperatur-3D-Drucker; sie wurden jedoch durch andere Technologien wie Hochtemperatur-Thermistoren oder PT100-Sonden ersetzt.

Bild 2: Typ K-Thermoelement. Quelle: RS Components

Die Hauptursachen für Probleme sind:

• Schlechter Zustand der Kabel oder Verbindungen: Wie bei Thermistoren wird die Temperatur durch Messen des Widerstands des Thermoelements bestimmt. Defekte in der Verkabelung oder den Steckverbindern führen daher zu fehlerhaften Temperaturmessungen.

• Elektrisches Rauschen: Thermoelemente sind anfällig für elektrisches Rauschen, daher beeinträchtigt das Auftreten von Rauschen im Schaltkreis die Messungen.

RTD-Sonden

Ähnlich wie NTC-Thermistoren, bestehen sie aus einem Metall, das seinen elektrischen Widerstand mit der Temperatur ändert. Im Gegensatz zu NTC-Thermistoren, bei denen der Widerstand mit der Temperatur abnimmt, steigt er bei RTD-Sonden. Dies ermöglicht es ihnen, Temperaturen mit hoher Genauigkeit zu messen, bis zu 600 °C. Obwohl sie in einem großen Temperaturbereich sehr präzise sind, ist der Nachteil, dass sie teurer sind und, wie Thermoelemente, zusätzliche Elektronik erfordern, was die Kosten erhöht und die Installation erschwert. Der gängigste RTD-Typ ist die bekannte PT100-Sonde.

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

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

Temperaturbezogene Probleme

Oftmals liegen Temperaturprobleme nicht am Sensor selbst, sondern am Temperatursteuerungsmodell und den Sicherheitseinstellungen des Druckers. Zur Temperaturregelung verwenden FFF-3D-Drucker ein Modell, das auf einer Impulsfrequenz basiert, die als PID bekannt ist. Die Koeffizienten dieses Modells bestimmen die Impulsfrequenz, die für eine höhere oder niedrigere Aufheizgeschwindigkeit erforderlich ist, sodass eine korrekte Konfiguration dieser Parameter für eine präzise Temperaturregelung unerlässlich ist. Daher verfügen die meisten 3D-Drucker über eine Funktion namens PID-Kalibrierung, die diese Parameter automatisch bestimmt. Es wird empfohlen, diese Kalibrierung regelmäßig durchzuführen.

Darüber hinaus ist es üblich, dass 3D-Drucker Sicherheitsalgorithmen verwenden, die die Heizung deaktivieren, wenn die Aufheizgeschwindigkeiten oder erreichten Temperaturen nicht mit denen des Modells übereinstimmen. In solchen Fällen treten häufig Temperaturfehler auf. Wenn diese auftreten, überprüfen Sie Folgendes:

• Den Zustand der Temperatursensoren

• Die thermische Leistung des Hotends

• Dass der Schichtlüfter nicht auf den Heizblock gerichtet ist und ihn nicht abkühlt.

• Dass der Heizblock keinen Kontakt mit dem Kühlkörper des Hotends hat.

• Führen Sie eine PID-Kalibrierung durch.

Hinweis: In diesem Leitfaden werden die Konzepte im Allgemeinen behandelt, ohne sich auf eine bestimmte Marke oder ein bestimmtes Modell zu konzentrieren, obwohl sie gelegentlich erwähnt werden können. Es können erhebliche Unterschiede in den Kalibrierungs- oder Einstellverfahren zwischen verschiedenen Marken und Modellen bestehen, daher wird empfohlen, vor dem Lesen dieses Leitfadens das Handbuch des Herstellers zu konsultieren.