3D Drucker – 12 und 24 Volt Komponenten gemeinsam betreiben

1.4 3D Drucker Controller
MKS 1.4 3D Drucker Controller

Warum es besser ist 12 Volt und 24 Volt Komponenten nicht zu mixen

Ich hatte einen Drucker mit einem 24 Volt fähigen MKS Controller und einem 12/24V Volt  MK3 Alu Heizbett aufgebaut.
Extruder Heizung und Lüfter lagen nur in der 12 Volt Version vor und sollten per PWM eine halbierte Spannung/Leistung bekommen.
Beides erwies sich als nicht besonders praktikabel und ich möchte erläutern warum.

Als Firmware kam Marlin zum Einsatz.
Marlin bietet an den PWM Ausgängen die Möglichkeit die Leistung zu begrenzen. So habe ich erst Mal wenig Probleme erwartet.

Die Extruderheizung

Marlin bietet in der configuration.h an die Heizleistung per PWM zu begrenzen:

//#define BANG_MAX 255     // volle Leistung
#define BANG_MAX 128     // halbe Leistung

Die Temperaturwerte der Düse schossen aber weit über die Solltemperatur hinaus. Auch ein PID Tuning brach immer ab.
Der Ausgang zeigte zwar effektiv 12 Volt, aber das Regelverhalten war eine Katastrophe.

Fazit: Einen 12 Volt Heizwiderstand per PWM unter 24 Volt zu betreiben ist nicht sinnvoll.

Die Filamentkühlung

Hier bietet Marlin keine Leistungsbegrenzung per PWM.
Alternativ kann man im Slicer die Maximalleitung auf 50% einstellen. Was auch funktioniert.
Die weitere Kühlleistung wird davon abgeleitet. Das müsste man aber ständig berücksichtigen. Die Gefahr ist groß das zu vergessen und den Lüfter mit der doppelten Spannung zu versorgen.
Eine sichere Methode wäre den Lüfter mit einem Vorwiderstand (ausreichender Leistung) zu betreiben.

Fazit: Besser gegen einen 24 Volt Lüfter tauschen.

 

Die Extruderkühlung

Der Extruder Lüfter läuft ungeregelt an der an der Versorgungsspannung des Druckers.
Das macht eine Anpassung von 12 an 24 Volt recht einfach.

Es ergeben sich folgende Möglichkeiten:

  • In Reihenschaltung mit einem Vorwiderstand.
  • Der Betrieb von 2 Lüftern gleicher Leistung in Reihe.
    (Nachteil: doppelte Ausfallwahrscheinlichkeit.)
  • Einsatz eines Step Down Wandlers (1€) um die 12 Volt bereit zu stellen.
  • Verwendung eines ungenutzten 2. Extruder Ausganges (Heizung) auf dem Controller.

Der Step Down Wandler erschien mir als schnellste Lösung da ich keinen passenden 24 Volt Lüfter zu Hand hatte. Die Lösung hat den Vorteil dass man die Spannung auch unter 12 Volt reduzieren kann ohne das die Kühlleistung der Düse Probleme bereitet. Die Geräuschentwicklung wird damit stark reduziert.

Die Nutzung  des zweiten Extruder Ausganges als geregelten Lüfterausgang

Im Folgenden möchte ich nur kurz die Nutzung  zweiten Extruder Ausganges erläutern.
Es ist eine sehr interessante Methode, da die Lüfter in Abhängigkeit von der Düsen Temperatur aktiviert werden.

Beispiel am MKS 1.4 Controller

Der zweite Extruder Heizung liegt am Pin 7 des Arduino.

Die folgenden Zeilen in der Configuration_adv.h sind von Interesse:

#define E0_AUTO_FAN_PIN -1
#define E1_AUTO_FAN_PIN -1
#define E2_AUTO_FAN_PIN -1
#define E3_AUTO_FAN_PIN -1
#define E4_AUTO_FAN_PIN -1
#define EXTRUDER_AUTO_FAN_TEMPERATURE 50
#define EXTRUDER_AUTO_FAN_SPEED   255  // == full speed.

Wir ändern die erste Zeile auf:
#define E0_AUTO_FAN_PIN 7
Damit ist der Pin 7 und damit die zweite Extruder Heizung als geregelter PWM Ausgang verfügbar.

Je nach Controller ist es ein anderer Pin. Notwendig ist ein Treibertransistor, der beim MKS an Pin 7 bereits vorhanden ist.
Der Wert von EXTRUDER_AUTO_FAN_TEMPERATURE bestimmt die Schaltschwelle in Abhängigkeit von der Erxtrudertemperatur..
Der Wert von EXTRUDER_AUTO_FAN_SPEED setzten wir im Fall eines 12 Volt Lüfters auf 128.

Denkbare wären auch weitere Lüfter z.B.  für die Stepperkühlung darüber zu schalten.
Stepper und Heizung dürften immer synchron laufen. Ab 50 Grad Düsentemperatur wären dann Stepper und Düse gekühlt.

In der Praxis zeigte sich das das PWM Spannung bei 50% Taktung recht nerv tötende Geräusche produziert. Schade, es wäre ein nützliches Feature die Lüfter temperaturabhängig zu steuern.
Eine Alternative wäre die PWM auf 255, also volle Leistung zu setzten und darüber  24 Volt Lüfter oder ein Relais zu steuern.

Die Bett Heizung

Theoretische wäre es auch möglich ein 12 Volt Heizbett mit 24 Volt zu betreiben, indem man die Leistung per PWM drosselt. Es macht aber wenig Sinn da gerade beim Heizbett die Vorteile einer 24 Volt Versorgung liegen.
Sollte man, wie bei vielen Billig Drucker , unterdimensionierte  Leitungen oder Kontakte haben, kann man sie durch Reduzierung der Heizleistung entlasten.
Das hilft auch wenn das Netzteil unterdimensioniert ist..
Nachteil ist die Reduzierung der maximalen Bett Temperatur und die Verlängerung der Aufheizzeit.
Aber das ist immer noch besser als ein Kabelbrand.

In der configuration.h reduzieren wir den Wert der folgenden Konstanten.

#define MAX_BED_POWER 255 // limits duty cycle to bed; 255=full current

Fazit:

Marlin würde per PWM Begrenzung den Betrieb von 12 Volt Komponenten (Heizungen ,Filament Fan) unter 24 Volt erlauben. In der Praxis zeigen sich aber diverse Probleme, so dass ich davon abraten möchte.

Ungeregelte Komponenten können dagegen mit einem einfachen Step Down Regler an 24 Volt betrieben werden.

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