Термисторы 3D-принтера: их роль и обеспечение точной печати

Что такое термистор 3D-принтера?

Термистор — резистор, чье сопротивление быстро и предсказуемо меняется с температурой.

Термисторы делаются из полупроводников, в основном германия и кремния, их сопротивление зависит от величины в их температурном диапазоне.

Что делает термистор в 3D-принтере?

Термисторы используются как датчики температуры. Устанавливаются в температурно-чувствительных точках: нагретый стол и горячий конец. Там они контролируют температуру и передают данные микроконтроллеру.

Для управления температурой принтера микроконтроллер использует данные для регулировки температуры принтера.

При нагреве изменение сопротивления детектируется и сопоставляется с калибровочными данными прошивкой принтера для расчета температурных изменений.

Типы термисторов

Существует два типа термисторов:

а) Отрицательный температурный коэффициент (NTC)

Наиболее распространенный тип в 3D-принтерах. NTC термистор предлагает переменное сопротивление в зависимости от температуры. При повышении температуры сопротивление падает от высокого к низкому, пропуская ток.

При включении питания NTC предлагает дополнительное последовательное сопротивление для смягчения пускового тока. Сопротивление падает до пренебрежимо малого при нормальных температурах, когда термистор самонагревается током, позволяя нормальный ток.

б) Положительный температурный коэффициент (PTC)

PTC термистор также предлагает переменное сопротивление. При повышении температуры сопротивление растет от низкого к высокому, предотвращая перегрузку по току.

PTC термисторы используются в определенных сценариях, а не NTC: в экстремальных температурных условиях, в приборах с почти нулевым временем сброса (цифровые термометры (проверить на Amazon)), или в системах с частыми импульсами.

Почему термисторы хорошие датчики?

Термисторы выгодны во многих применениях как датчики благодаря высокой долговечности и простоте использования — их поведение вполне предсказуемо. Их применение для измерения и контроля температуры выдающееся.

Явно, изменение электрического сопротивления термистора из-за соответствующего изменения температуры заметно независимо от того, изменяется ли температура тела термистора из-за излучения или проводимости из окружающей среды, или из-за «самонагрева», вызванного рассеиванием мощности внутри устройства.

Температура тела термистора будет зависеть от теплопроводности его среды и его температуры, когда термистор используется в цепи, где рассеиваемая мощность достаточно для «самонагрева».

Термисторы «самонагреваются» для применений: детекция потока воздуха, детекция уровня жидкости, измерение теплопроводности.

Как заменить термистор на нагретом столе 3D-принтера?

Следующие шаги для замены термистора и нагревательной трубки.

Понадобятся инструменты:

• Термистор
• Нагревательная трубка
• Ножницы
• Пинцет
• Двухцелевая отвертка
• Шестигранный ключ 1,5 мм
• Крепёжный стяжка (cable tie) (проверить на Amazon)

Шаг 1: Демонтаж вентилятора рядом с соплом

Сначала убедитесь, что сопло остыло до комнатной температуры, чтобы избежать травм. Снимите два боковых кожуха отверткой, затем ослабьте два винта рядом с вентилятором.

Отключите разъем вентилятора пинцетом, удерживая порт, затем снимите вентилятор.

Шаг 2: Удаление старого термистора и нагревательной трубки

Теперь пинцетом отключите разъемы старой нагревательной трубки и термистора, затем перережьте старую трубку и термистор.

После разрезания используйте 1,5-мм шестигранник для ослабления винта в термоблоке и извлеките старую трубку и термистор.

Шаг 3: Установка нового термистора и нагревательной трубки

Свяжите новую трубку и термистор стяжкой, затем вставьте в термоблок. Часть трубки должна выходить с другой стороны блока.

Убедитесь, что термистор внутри блока, затяните винт и проведите новую трубку и термистор через модуль. Включите разъемы в порты.

Нагревательная трубка и термистор не должны достигать горячего конца.

Шаг 4: Установка вентилятора

Подключите разъем вентилятора к интерфейсу, затем прикрепите к модулю.

Шаг 5: Сборка частей

Установите два боковых кожуха.

Шаг 6: Тестирование термистора

Подключите модуль к контроллеру, включите питание. Загрузите нить, откалибруйте нагретый стол и начните короткую печать для теста.

Проверьте, нет ли проблем во время печати.

Как проверить сопротивление датчика температуры?

Различные способы проверки сопротивления. Рассмотрим мультиметр.

Сопротивление — не значение, измеряемое напрямую. Чтобы найти сопротивление термистора, нужно измерить ток через него, затем измерить полученное сопротивление.

Показания будут варьироваться по температуре. Лучше измерять при комнатной температуре (25 °C).

Шаги проверки сопротивления:

Нужен мультиметр и щупы.

Шаг 1: Снимите стекловолоконную изоляцию на паре проводов термистора.

Шаг 2: Установите диапазон мультиметра на номинальное сопротивление термистора, напр. 100 кОм.

Шаг 3: Приложите щупы к двум проводам. Мультиметр покажет температурное сопротивление.

Как узнать, что термистор неисправен?

Большинство термисторов для 3D-печати имеют сопротивление 100 кОм при комнатной температуре. Симптомы плохого термистора:

• Температуры печати выше обычных

Материалы имеют рекомендуемые температуры печати. Если принтеру нужна более высокая температура для экструзии, чем номинальная, термистор может быть неисправен.

• Тепловой разгон (Thermal Runaway)

Тепловой разгон — ситуация, когда принтер нагревается до экстремально высоких температур и не может остановиться. Принтер может загореться!

Причины разного рода. Но самая вероятная — термистор неверно выровнен.

Из-за плохой выровненности прошивка постоянно повышает тепло для достижения цели.

Для предотвращения теплового разгона установите защиту в прошивке. Сама прошивка не предотвращает разгон — только пытается остановить перегрев.

• Отказ печати или множество ошибок из-за температурных проблем
• Аномальные вариации температуры на мониторе принтера

Как откалибровать термистор 3D-принтера

Разные способы калибровки. Рассмотрим с мультиметром.

1. Тестирование термопары

Проверьте точность термопары мультиметра. Вскипьте немного воды, опустите термопарю. Показание 100 °C означает точность.

2. Идентификация горячего конца

Откройте прошивку принтера. Найдите горячий конец. Обычно есть файл в программных файлах принтера, управляющий горячим концом. Руководство может указать расположение файла.

3. Подключение горячего конца к мультиметру

Соедините термопару мультиметра с горячим концом. Подходящий способ — найти зазор между горячим концом и соплом и вставить её туда.

4. Копирование таблицы

Откройте температурную таблицу в прошивке. Таблица содержит значения сопротивления термистора против температуры. Для определения температуры из измеренного сопротивления принтер использует этот файл. Скопируйте таблицу, удалите столбец температуры в новой таблице.

5. Заполнение таблицы

В старой таблице установите горячий конец на температурное значение, измерьте точную температуру мультиметром. Скопируйте показания в значение сопротивления в новой таблице, соответствующем значению в старой. Повторите для всех значений сопротивления.

6. Замена таблицы

Удалите старую термисторную таблицу и замените новой после нахождения желаемых температур для значений сопротивления.

Факторы, приводящие к ошибкам в температурном диапазоне

Несмотря на все вычисления, термисторы показывают аномально высокие погрешности >1% в 3D-принтерах. Причины:

1. Видимый отказ термистора

Провода термистора хрупки. Легко портятся при смене сопла. Поврежденный термистор дает экстремально низкое чтение температуры. Это может быть катастрофично, так как показания не реальные. В редких случаях — пожар.

2. Дрейф во времени

Термисторы изнашиваются со временем из-за постоянного воздействия высоких температур. Воздействие повышает сопротивление, что может давать аномально низкие показания температуры.

Это дополнительный фактор к нормальному дрейфу во времени, ожидаемом в любой машине или компоненте из-за деградации.

3. Неточные калибровочные данные

Неверные калибровочные данные вызывают ошибки. Помимо погрешностей допуска, маржа ошибки будет гораздо выше ожидаемой.

4. Допуск (Tolerance)

Термисторы относительно стабильны, но их допуски уменьшаются с ростом температуры.

Отклонение для термисторов в некоторых горячих концах может быть не 1%, а выше — 2%, и еще выше при печати.

5. Цепь материнской платы

Некоторые компоненты на материнской плате или аномально высокое сопротивление соединительных кабелей могут вызывать ошибки чтения температуры термистора. Эти инциденты могут меняться и дрейфовать во времени.

6. Плохая настройка PID

Плохая настройка PID может заставлять температуру нагретого стола или хотбеда качаться и ошибочно сообщаться.

Покупка термистора

Главная причина купить термистор — если текущий стал неисправен.

Вторая — если желаете модифицировать принтер для печати при более высокой температуре, чем обычно.

Также учитывайте покупку у признанного дилера, чтобы товар был подлинным.

Заключение

Термистор — малый компонент 3D-принтера, но играет ключевую роль в печати. Состояние термистора не должно быть упущено — может остановить всё.