I termistori e i termocoppie. Tipi e problemi comuni.

Le stampanti 3D FFF possono utilizzare diversi tipi di sensori di temperatura, tra cui i termistori NTC, i termocoppie e le sonde PT100 sono i più comuni.

Termistori NTC

I termistori sono il sensore più comune, economico e semplice da implementare, poiché sono collegati direttamente alla scheda della stampante. Sono un elemento che varia la sua resistenza elettrica in base alla temperatura, quindi la stampante deve avere preconfigurata nel firmware la tabella RT (resistenza versus temperatura) del modello specifico in uso. Se si desidera sostituire un termistore con un altro modello, è essenziale modificare il firmware della stampante includendo la tabella RT specifica del nuovo modello; altrimenti le misurazioni di temperatura saranno errate. Nel caso in cui non sia possibile modificare il firmware della stampante, è essenziale sostituire sempre il termistore con uno identico. Tra i suoi principali svantaggi vi è il non fornire una risposta lineare e non essere generalmente adatti alle alte temperature (superiori a 300 °C).

Immagine 1: Termistore NTC. Fonte: Filament2print

Le principali cause di problemi nei termistori sono due:

• Una cattiva configurazione dei parametri nel firmware: Come accennato in precedenza, è essenziale che il firmware della stampante abbia configurati i valori RT specifici di un modello specifico di termistore per convertire con precisione i valori di resistenza misurati in valori reali di temperatura. Tutti i produttori di termistori forniscono i propri dati RT per ogni modello, inoltre, firmware come Marlin o RepRap FW includono le tabelle RT dei modelli più comuni.

• Cattivo stato dei cavi o delle connessioni: Un cavo in cattivo stato, una cattiva connessione o una lunghezza eccessiva del cavo possono aumentare la resistenza misurata dalla scheda, risultando in misurazioni errate della temperatura. È essenziale controllare periodicamente lo stato dei cavi del termistore e delle connessioni. Il termistore deve essere collegato direttamente alla scheda, evitando di utilizzare giunti o connettori e utilizzando la lunghezza minima necessaria. Nel caso in cui vengano utilizzati connettori rapidi, devono essere della massima qualità possibile e correttamente crimpati. Per determinare se un termistore è installato correttamente, il modo migliore è misurare la resistenza nel connettore della scheda con un multimetro e verificare se è la stessa specificata nella tabella RT a 25 °C.

Termocoppie

Sono composti da una giunzione bimetallica che varia la sua conducibilità in funzione della temperatura. Esistono diversi tipi, essendo i tipo K i più comuni nella stampa 3D a causa del loro ampio intervallo di temperatura (-200 °C - 1400 °C). Sono molto economici e intercambiabili, tuttavia hanno due limitazioni importanti:

• Hanno una precisione molto bassa (superiore a 1 °C).

• Richiedono l'installazione di schede di amplificazione per poter essere utilizzati.

Fino a poco tempo fa erano la soluzione più comune per le stampanti 3D ad alta temperatura, ma sono stati sostituiti da altre tecnologie come i termistori ad alta temperatura o le sonde PT100.

Immagine 2: Termocoppia tipo K. Fonte: RS Componentes

Le principali cause di problemi sono:

• Cattivo stato dei cavi o delle connessioni: Come i termistori, la temperatura viene determinata misurando la resistenza della termocoppia, quindi difetti nel cablaggio o nei connettori causano misurazioni errate della temperatura.

• Rumore elettrico: Le termocoppie sono sensibili al rumore elettrico, quindi la comparsa di questo nel circuito altera le misurazioni.

Sonde RTD

Simili ai termistori NTC, sono composti da un metallo che varia la sua resistenza elettrica con la temperatura. A differenza dei termistori NTC, dove la resistenza diminuisce con la temperatura, nelle sonde RTD essa aumenta. Questo consente loro di misurare con precisione temperature molto più alte dei termistori, fino a 600 °C. Anche se presentano molta precisione in un'ampia gamma di temperature, hanno il inconveniente di essere più costosi e, come le termocoppie, richiedono elettronica aggiuntiva, che aumenta ulteriormente il costo e complica l'installazione. Il tipo di sonda RTD più comune è la ben nota sonda PT100.

Immagine 3: Sonda PT100 con scheda di amplificazione. Fonte: E3D

In generale hanno meno problemi rispetto ai termistori NTC e alle termocoppie, ma come nei casi precedenti è importante controllare lo stato dei cavi e dei connettori, poiché il loro funzionamento si basa anche sulla lettura della resistenza elettrica.

Problemi correlati alla temperatura

Spesso i problemi di temperatura non sono legati al sensore stesso, ma al modello di controllo della temperatura e alle impostazioni di sicurezza della stampante. Per controllare la temperatura, le stampanti 3D FFF utilizzano un modello basato sulla frequenza degli impulsi noto come PID. I coefficienti di questo modello determinano la frequenza degli impulsi necessaria per ottenere una maggiore o minore velocità di riscaldamento, quindi una corretta configurazione di questi parametri è essenziale per ottenere un controllo preciso della temperatura. Per questo motivo la maggior parte delle stampanti 3D incorpora una funzione chiamata calibrazione PID, che determina automaticamente questi parametri. Si consiglia di eseguire periodicamente questa calibrazione.

Inoltre, è comune che le stampanti 3D implementino algoritmi di sicurezza che disattivano il riscaldamento quando le velocità di riscaldamento o le temperature raggiunte non corrispondono a quelle del modello. In questi casi si verificano spesso errori di temperatura. Quando ciò accade, è necessario controllare quanto segue:

• Lo stato dei sensori di temperatura

• La prestazione termica del nozzle

• Il ventilatore dello strato non è orientato verso il blocco riscaldante e non lo raffredda.

• Il blocco riscaldante non è a contatto con il dissipatore del nozzle.

• Eseguire una calibrazione PID.

Nota: In questa guida vengono trattati i concetti in modo generale e senza concentrarsi su un marchio o modello specifico, anche se possono essere menzionati occasionalmente. Possono esserci differenze significative nei procedimenti di calibrazione o regolazione tra diverse marche e modelli, quindi si consiglia di consultare il manuale del produttore prima di leggere questa guida.