Risiken und Gefahren beim Einsatz von 3D Druckern

Risiken und Gefahren beim Einsatz von 3D Druckern

Ein 3D Drucker ist ein komplexes Gerät mit netzspannungsführenden Teilen, mit Anschlussleistungen bis zu mehreren hundert Watt und Temperaturen von 200 – 240°C im Normalbetrieb.
Während Komplettgeräte diversen Anforderungen erfüllen müssen bzw. sollten, setzten sich die weit verbreiteten Kits aus Einzelkomponenten zusammen, wo Aufbau und Inbetriebnahme der Verantwortung des Anwenders obliegt.
Das soll nicht heißen das Fertiggeräte mangelfrei sein müssen.

Insbesondere bei Kits können folgende Probleme auftreten:

  • Abweichende Komponenten durch häufigen Lieferantenwechsel
  • Mängel in der Konstruktion
  • Mangelhafte oder missverständliche Anleitungen
  • Mangelnde Erfahrung und Qualifikation des Anwenders

Im Prinzip kann ein 3D-Drucker Kit die gleichen Risiken wie ein Lötkolben beinhalten. Allerdings wie ein Lötkolben den man selber zusammenbaut und an 230 Volt anschließt.

Ich möchte jetzt nicht Fertiggeräte und Kits verteufeln. Ich nutze sie selber gern und häufig. Bezogen auf die hunderttausende Drucker die jedes Jahr verkauft werden, sind bisher auch nicht viele Unglücksfälle bekannt geworden.

Aber im eigenen Interesse sollte man Vorsicht walten lassen und folgende Punkte beachten.

Netzspannung

Notebooknetzteil

Wohl dem dessen Drucker mit einem gekapselten Netzteil geliefert wird. Bei Druckern mit geringerem Leistungsbedarf werden oft Notebooknetzteile verwendet. Diese sollten über einen internen Überspannung- und Kurzschlussschutz verfügen. Erkennbar an den Symbolen auf dem Netzteil. Wenn es nicht draufsteht wird es vermutlich auch nicht drin sein. Immerhin ist schon mal der Berührungsschutz gegeben.

Schaltnetzteil (Metallausführung)

Bei den Low End Systeme oder Geräten mit hoher Leistung kommen Schaltnetzteile mit offen liegenden Anschlüssen und Metallgehäusen zum Einsatz. Diese müssen unbedingt geerdet werden, sonst liegt im Fehlerfall Netzspannung am Gehäuse.
Typische Vertreter dieser Klasse sind die Drucker Kits Anet A6 und A8. Es fehlen diesen auch ein Netzschalter und eine Gerätesicherung. Beides sollte man im Interesse seiner Gesundheit nachrüsten. Ebenso müssen die offen liegenden Netzanschlüsse abgedeckt werden.

Des Weiteren könnten die Netzteile unterdimensioniert sein. Die Temperatur des Netzteils sollte man prüfen und ggf. für ausreichend Kühlung sorgen.
Die Kabel am besten mit Crimpanschlüssen versehen und sicher verschrauben.
Die Hausverkabelung sollte natürlich auch dem Stand der Technik entsprechen. Ein Fehlerstromschalter kann nicht schaden.

Hohe Stromstärken

Insbesondere beim Heizbett fließen Ströme >= 10 Ampere. Diese stellen per se keine Lebensgefahr dar.
Bei folgenden Konstellationen können sie aber zu Beschädigungen oder Bränden führen:

  • Zu geringer Kabelquerschnitt.
  • Lockere Verbindung an Lötverbindung, Stecker oder Schraubklemmen.
  • Unterdimensionierte Steck- oder Schraubverbindungen
  • Sich im Betrieb lösende Kabelverbindung.

Eine übliche Methode den Controller und dessen Steck- oder Schraubverbindungen zu entlasten ist der Einsatz eines Relais oder eines externen Power-MOSFET um das Heizbett zu schalten.
Die Kosten sind mit ca. 5€ gering.

Hohe Temperaturen

Die Düse

Diese wird im Bereich von 190 bis 270°C betrieben. Das führt bei Berührung zu unangenehmen Verbrennungen. Auch kann die Düse Kunststoffteile, Kabel und Filament beschädigen oder entzünden.
Auch das beliebte Haarspray sollte nicht auf die heiße Düse gesprüht werden.
Eine weitere Gefahr ist ein unkontrolliertes Hochheizen der Düse, bzw. des Heizwiderstandes über die Betriebstemperatur.

Folgende Ursachen für Überhitzung des Heizwiderstandes sind möglich:

  • Defekter oder gelöster Temperaturfühler, Kabelbruch.
  • Gelöster und damit vom Sensor getrennter Heizwiderstand.
  • Abgestürzter Controller.

Eine Firmware wie Marlin, sofern sie auch richtig konfiguriert ist, kann die ersten beiden Zustände erkennen und die Heizung abschalten.
Des Weiteren nutzt auch Marlin den watchdog Timer des Mikrocontrollers und kann ihn neu starten.
Ein Totalausfall des Controllers lässt sich nicht abfangen.

Das Heizbett

Bei PLA benötigen wir Betriebstemperaturen von 60°C, bei ABS sind es schon 110°C. Die damit verbundenen Ströme >= 10A und eine ständige Bewegung des Druckbettes stressen Kabel und Verbindungen. Heiß werdende Kabel und Stecker zeigen ein Problem an.
Aus den gleichen Gründen wie bei der Düse kann die Regelung ausfallen und das Druckbett unendlich weiterheizen, sofern die Firmware den Fehler nicht abfängt.

Vorsicht bei 230 Volt Silikonheizmatten. Diese heizen natürlich sehr schnell das Druckbett auf. Im Fehlerfall kann aber auch die Netzspannung am Geräte anliegen.

Brandgefahr

Folgende Ursachen können zu Überhitzungen und ggf. Bränden führen:

  • Versagende Temperaturregelung bei Bett oder Düse.
  • Kurzschlüsse, Wackelkontakte, Unterdimensionierung an Leitungen oder Verbindern.
  • Versagende Netzteile.

Störungen im Druckbetrieb

Ein sich lösendes Druckobjekt oder eine versagende Achse führt zu einer punktuellen Filamentkonzentration. Das kann dazu führen, dass der gesamte Druckkopf von dem geförderten Filament eingeschlossen wird. In der Mitte arbeitet immer noch die >200°C heiße Düse.

Unbeaufsichtigtes Drucken

Wird von vielen Herstellern ausgeschlossen. Man sollte daher seine Drucker im Auge behalten. Da schnell mal ein Druck 10h oder länger dauern kann, wird die Überwachung schwierig.
Möchte man seinen Drucker per WEB-Cam im Blick haben oder auch sonst bequemt über WLAN oder Internet per Browser steuern, kann einen Raspberry Pi und die Software OctoPrint dafür verwenden.
Wenn man im Fehlerfall den Drucker remote abschalten möchte, ist das mit einer ip-steuerbaren Steckdose möglich.

Bewegliche Bauteile

Hier besteht in erster Linie die die Gefahr dass man sich die Finger klemmt. Insbesondere ein Spindelantrieb kann etwas wehtun.
Ein versagender Endschalter lässt die Motoren gegen die Anschläge fahren und führt zu Beschädigungen.

Emissionen

Wer ABS verwendet merkt sofort das es besser nicht den Raum mit dem Drucker zu teilen. Aber auch bei anderen Materialen sollte man für Luftaustausch sorgen.

Versicherung und 3D-Drucker

Auf Grund der steigenden Gerätezahlen wird das langfristige ein Thema für die Hausrat- und Wohngebäudeversicherung.

Checkliste Sicherheit 3D-Drucker

Umgebung
  • Rauchmelder (gibt es ab 5€)
  • Feuerlöscher (gibt es ab 10€)
  • Drucker nicht unbeaufsichtigt betreiben.
  • Drucker nicht im einzigen Fluchtweg betreiben.
  • Keine leicht brennbaren Gegenstände in der Nähe.
Drucker
  • Netzteil mit Schalter und Sicherung.
  • Keine berührbaren Netzanschlüsse.
  • Zugentlastung an den Kabeln, Keine scharfen Gehäusekanten.
  • Keine Erwärmung bei Kabeln und Verbindern. Ausreichender Leitungsquerschnitt.
  • Fest sitzende Heizpatronen und Sensoren.
  • Keine schleifenden Kabel an beweglichen Teilen (Zahnriemen!).
  • Keine Kabelbrüche an bewegten Leitungen.
  • Keine Überhitzung des Netzteils.
  • Einsatz einer fehlertoleranten Firmware wie Marlin.
  • Großen Lasten über Relais oder Power MOSFET steuern.

Beispiele für bisher bisherige Unfälle

Ereignis Ursache Quelle
Brand Stepper Kabel kamen in Kontakt mit der Düse, erzeugten Kurzschluss auf dem Treiber und Controllerboard, Elektronik und Holzgehäuse des Druckers geraten in Band http://forums.reprap.org/read.php?392,294850
Brand Die gelöste Extruderheizung setzt die umgebenden Kunststoffteile und den gesamten Drucker in Brand https://www.thissmarthouse.net/dont-burn-your-house-down-3d-printing-a-cautionary-tale/
Brand Ein 3D Drucker verursachte in Wien einen Zimmerbrand. https://www.meinbezirk.at/wiener-neustadt/lokales/3d-drucker-duerfte-brand-ausgeloest-haben-d1682067.html
Explosion und Hausbrand mit Todesfolge Vermutlich war weniger der Drucker, sondern eine starke Konzentration von Haarspray (Propan, Butan) und die unsachgemäße Lagerung großer Mengen von Pyropapier für die Explosion verantwortlich. Ein elektrischer Funke am Drucker oder an der Elektroinstallation brachte die Gase zur Explosion. https://www.telegraph.co.uk/news/2016/11/03/teenage-boy-killed-in-3d-printer-explosion-during-school-art-pro/

Wichtige Einstellung der Marlin Firmware bezüglich Sicherheit

Configuration.h
Temperature Ranges

#define HEATER_0_MINTEMP 5
#define HEATER_1_MINTEMP 5
#define HEATER_2_MINTEMP 5
#define HEATER_3_MINTEMP 5
#define HEATER_4_MINTEMP 5
#define BED_MINTEMP 5

Ein defekter Sensor liefert sehr niedrige Werte. Hier sollt die geringste Umgebungstemperatur eingetragen werden, bei der der Drucker betrieben wird.

Werte darunter interpretiert Marlin als Fehler und stoppen den Drucker mit einem “MINTEMP” Fehler.
Fehlerursache: Entweder ist es sehr kalt oder der Sensor ist defekt bzw. das Kabel ist unterbrochen.

#define HEATER_0_MAXTEMP 285
#define HEATER_1_MAXTEMP 275
#define HEATER_2_MAXTEMP 275
#define HEATER_3_MAXTEMP 275
#define HEATER_4_MAXTEMP 275
#define BED_MAXTEMP 130

Maximal Werte für den Sensor. Ermittelte Werte darüber interpretiert Marlin als Fehler und stoppt den Drucker mit einem “MAXTEMP” Fehler.
Fehlerursache: Entweder sind die Kabel kurzgeschlossen oder das Relais/MOSFET hängt und heizt weiter.

Thermal Protection

#define THERMAL_PROTECTION_HOTENDS // Enable thermal protection for all extruders
#define THERMAL_PROTECTION_BED // Enable thermal protection for the heated bed

Diese Optionen sollten unbedingt gesetzt sein damit Marlin den Heizvorgang überwacht.

Marlin überwacht zwei Dinge:

  1. Wenn eine Heizung aktiviert wird erwartet Marlin in einer gewissen Zeit einen Temperaturanstieg. Bleibt dieser aus interpretiert Marlin dies als Fehler „Heating failed „.
  2. Marlin überwacht die Stabilität der eingestellten Zieletemperatur. Abweichungen werden als Fehler behandelt – „Thermal runaway”.

Falsche PID Werte der Heizungen, geringe Netzteilleistung oder kalte Umgebungsluft können auch diesen Fehler auslösen.

In Ausnahmefällen, wie wirklich sehr träger Heizleistung kann man die Timing Werte in der Configuration_adv.h anpassen.

Configuration_adv.h

Hotend Thermal Protection

#if ENABLED(THERMAL_PROTECTION_HOTENDS)
#define THERMAL_PROTECTION_PERIOD 40 // Seconds
#define THERMAL_PROTECTION_HYSTERESIS 4 // Degrees Celsius
#define WATCH_TEMP_PERIOD 20 // Seconds
#define WATCH_TEMP_INCREASE 2 // Degrees Celsius
#endif

Der erste Wert gilt für eine konstante Zieltemperatur und erlaubt innerhalb von 40 Sekunden Schwankungen um 4°C.
Der zweite Wert gilt für eine neue Zieltemperatur und erwartet innerhalb von 20 Sekunden eine Temperaturerhöhung von 2°C.

Bed Thermal Protection

#if ENABLED(THERMAL_PROTECTION_BED)
#define THERMAL_PROTECTION_BED_PERIOD 20 // Seconds
#define THERMAL_PROTECTION_BED_HYSTERESIS 2 // Degrees Celsius
#define WATCH_BED_TEMP_PERIOD 60 // Seconds
#define WATCH_BED_TEMP_INCREASE 2 // Degrees Celsius
#endif

http://marlinfw.org/docs/configuration/configuration.html#safety

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