Temperaturmessung kalibrieren – Teil 1

Vorab: Dieser Beitrag behandelt erstmal nur die von favorisierte Repetier Firmware.

Selbst 3D-Druck Einsteigern dürften die teilweise sehr widersprüchlichen Angaben zu Druck- und Haftungstemperaturen, die sich in den Foren, Herstellerangaben,….  finden, auffallen.

Wenn man sich mit anderen über Werte austauscht oder man selbst mehrere Drucker besitzt sollte ein kalibrierter Thermistor bzw. eine kalibrierte Firmware eigentlich eine Vorraussetzung sein. Das ist leider in einem Großteil aller Fälle aber wohl nicht zutreffend.

Zum Schutz der Hardware ist eine genaue Temperaturmessung ebenfalls erforderlich. Alle die ein Hotend mit einem Inliner aus PTFE/Teflon (MK8, Merlin, E3Dv6lite, …) verwenden sollten ein Interesse daran haben niemals über ca. 260°C aufzuheizen.

Die Problematik

Gerade durch den Preisverfall der billigen (ja, richtig verwendet) Einstiegsdrucker und die dadurch gestiegene Verbreitung dürfte die Anzahl derer, die ein nicht eingestelltes Gerät haben, exorbitant gestiegen sein. Der Großteil der Geräte sind letztlich aus einer bunten Mischung zusammengewürfelter Teile chinesischer Fertigungsqualität zusammengeschustert und mit einer Muster-Firmware ausgestattet.
Toleranzen in den Widerständen des zur Auswertung des Thermistor benötigten Spannungsteilers, der Referenzspannung sowie des Thermistors selbst sind nicht ansatzweise berücksichtigt.


Teilweise sind sogar bei Raumtemperatur schon Unterschiede erkennbar.

Größtenteils ist nichtmals der exakte Thermistortyp bekannt. Ein kurzer Blick in die üblichen Bezugsquellen wie ebay, Aliexpress, … führt meist zu der Erkenntnis das ein 100k Typ 3950 Thermistor geliefert wird/wurde. Der Wert 3950 soll eigentlich den Beta-Wert des Thermistors angeben. Hat man aber erstmal die Verkaufsmaschen und den Sprachgebrauch des fernen Osten verstanden und ist das dazu in Lage das in deutsche zu übersetzen, kommt dabei folgende Übersetzung raus. „Da, Thermistor, ist beste Qualität und günstig“
… es könnte also morgen regnen oder die Sonne scheinen.

Oft sieht man es auch, dass in den Stock-Firmwares der Thermistor Typ 1 ausgewählt ist. Hierbei handelt es sich bei Repetier Firmware um ein Epcos B57570G0107F000 Thermistor. Dieser Typ wird jedoch schon lange nicht mehr hergestellt, alleine an dieser Tatsache kann man schon gut erkennen wieviel Mühe sie die meisten Hersteller bei der Konfiguration der Firmware machen.
Frei nach dem Motto „Hauptsache es wird irgendwas gemessen“.
Bei der Marlin Firmware sieht es nicht besser aus, da ist es einfach nur ein nicht näher definierter EPCOS 100k Thermistor.

Die Chance unter diesen Vorraussetzungen ein halbwegs akzeptables Messergebniss zu erzielen ist ungefähr so groß wie mit den Lottozahlen 5,17,23,34,36,41 in der nächsten Woche 5 richtige zu haben.
Gerade bei einem so temperatursensitiven Thema wie 3D-Druck ist eine halbwegs exakte Messung eine Grundvorrausetzung.

In der Praxis sind mir schon genügend Drucker unter die Finger gekommen deren Messwerte teilweise >20°C neben der Realität liegen.

Wie kalibriert man also seinen Drucker?
Dazu gibt es verschiedene Ansätze. Von leicht und schnell bis sehr zeitaufwändig ist alles möglich.
Ich gehe hier jetzt erstmal nur auf die einfache und schnelle Variante, mit dieser habe ich bislang eigentlich jeden Drucker zu brauchbaren Messwerten überreden können.

Das Referenzthermometer

Egal welche Weg man geht, es wird zwingend ein Referenzthermometer benötigt.

Ein berührungslos messendes Infrarotthermometer ist völlig ungeeignet da der Emissionsgrad der zu messenden Oberfläche zumeist unbekannt ist.
Diese Messgeräte haben im 3D-Druck eigentlich nichts zu suchen.

Als Referenz bieten sich Thermometer mit einem Thermoelement an. Selbst die günstigen Geräte aus fernöstlicher Herstellung in der Preiselage 15-25€ laufen aufgrund der Meßtechnik zum allergrößten Teil nur <2°C daneben.
Ein weiterer Vorteil der Thermoelemente ist die zumeist sehr kleine Messstelle.

Aufgrund der niedrigen Preislage bietet es sich an ein Messgerät mit 2 Messstellen zu kaufen. Mit 2 Fühlern kann man an 3D-Druckern viele weitere spannende Messungen durchführen, z.B. Temperaturverlauf im Heizbett, Kühlung des Coldends, Steppertemperaturen von X und Y im Betrieb, …

Für diesen Artikel habe ich mal ein günstiges Einsteigerthermometer von Amazon beschafft und die Messergebnisse mit meinen deutlich höherwertigen und vermessenen Thermometern verglichen.
Die mitgelieferten Thermoelemente, sowie auch die mitbestellten günstigen Thermoelemente, liefern durchaus aktzeptable Ergebnisse. Die Messwerte variierten im Bereich von 100°C <1°C, im Bereich von 230°C <2°C.

Für kleines Geld kann man also durchaus ein brauchbares Referenzthermometer beschaffen.

Die Messstellen

Die Messstelle des Fühlers muss möglichst gut an/in der Düse des Hotends befestigt werden.
Unter Umständen lassen sich sehr dünne Fühler sogar nach einem Coldpull von oben durch die Heatbreak bis in die Düse schieben.
Alternativ lässt sich der Fühler auch zwischen Düse und Heizblock einklemmen, hierzu die Düse etwas lösen und den Fühler mit minimalen Druck klemmen.
Eventuell kann man die Messstelle auch unter ein Silikonverhüterli schieben.

Um den Messaufbau etwas von den Umwelteinflüssen zu entkoppeln kann/sollte man alles mit etwas Alufolie einwickeln.

Ruhe und Geduld

Bei allen Varianten der Kalibration ist etwas Ruhe und Geduld gefragt. Um verlässliche Ergebnisse zu erzielen ist es zwingend erforderlich auf stabilisiete Messwerte zu warten. Also bitte Messwerte des Thermometers immer erst notieren wenn sich die Temperaturregelung des Druckers eingeschwungen hat (geringes pendeln des Ist-Wert um den Soll-Wert) und das Referenzthermometer auch nur noch einen gering pendelnden Wert misst.


Mit so einer Kurve braucht man nicht anfangen zu kalibrieren.

Pendelt die Regelung des Druckers zu stark muss unbedingt ein PID-Tuning (G-Code M303) durchgeführt werden.
Wer nicht auf PID-Regelung sondern auf Totzeitregelung oder ein anderes Regelverfahren umgestellt hat muss dementsprechend diese Werte anpassen

Die schnelle Variante

Diese Variante ist im Prinzip schnell durchgeführt, funktioniert aber nur mit Repetier Firmware.
Sie berücksichtigt nicht eine eventuelle nicht-parallelität des Thermistors zur üblichen Kennlinie, führt aber aber im Durchschnittsfall zu respektablen Ergebnissen.

Die Repetier Firmware auf Thermistortyp 97 aka „Generic thermistor table 1“ umstellen. Ist die Firmware auf den generischen Typ umgestellt wird der Thermistor nicht anhand einer vorgefertigten Tabelle ausgewertet sondern die neuen Werte mittels einer Formel errechnet.

Das Hotend aufheizen und bei mehreren Temperaturen die Messwerte des Druckers und des Referenzthermometers notieren. Ein Messpunktabstand von 20°C bietet sich an, also z.B. 190°C, 210°C, 230°C und 250°C

Aus den gemessenen Werten kann man die prozentuale bzw. durchschnittliche prozentuale Abweichung errechnen.

Zum Beispiel:
– Messwert Drucker: 234°C
– Messwert Referenzthermometer: 215°C

Rechnung: 215/234=0,919 = 92%

Die Messwerte des Druckers sind also ca. 8% zu hoch.

Nun in der Firmware den Beta Wert des Thermistors um 8% erhöhen. In dem Beispiel also von Beta=4036 auf Beta=4359 umstellen

Nun die Firmware mit dem korrigierten Wert in den Drucker laden und nochmals stichprobenartig die Werte kontrollieren. Die Messwerte sollten nun nur noch sehr gering voneinander abweichen.

Fallen hier keine Messwerte grob aus dem Rahmen fallen kann man zufrieden sein und behaupten eine kalibrierte Temperaturmessung zu haben.

Bevor es wieder in den Druckalltag zurück geht, am besten nochmals ein PID Tuning durchführen.


So sollte es nach einem erfolgreichen PID-Tuning aussehen.

Sollten die Messwerte der Stichproben doch stark von einander abweichen kann man sich die Zeit nehmen eine Thermistortabelle zu erstellen. Wahrscheinlicher ist aber, das ein Defekt des Thermistors vorliegt. Sollten sehr unplausible Werte gemessen werden bietet sich eine Erneuerung an. Bei den geringen Preisen für Thermistoren ist das nun kein großer Schlag für die Hobbykasse.

Die aufwändige Variante

Erstellen einer Thermistortabelle … to be continued

 

Druckbett/Heizmatte kalibrieren

Grundlegend gilt hier die gleiche Verfahrensweise wie am Hotend. Hier ist jedoch noch mehr auf eingeschwungene Werte zu achten. Heizbetten sind deutlich träger. Am sinnvollsten erscheint die Messstelle des Refernzthermometers möglichst nah am Thermistor zu befestigen . Ein Abschirmung gegen Umweltflüsse ist hier noch wichtiger als Hotend.

Ein Gedanke zu „Temperaturmessung kalibrieren – Teil 1

  1. Peter1956

    Hervorragender Beitrag.
    Er erklärt in der Tat die teilweise haarsträubenden Temperaturangaben in den verschiedenen Diskussionen.
    Auf die Fortsetzung bin ich sehr gespannt.

    Gruß
    Peter

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