Sicherheitsoffensive Teil I – Thermoschalter in 3D-Druckern

Hast Du auch manchmal ein mulmiges Gefühl Deinen 3D-Drucker über eine längere Zeit unbeobachtet zu lassen. Was passiert wenn der Temperatursensor ausfällt und das Heizbett oder das HotEnd permanent weiter heizt? Vielleicht hast Du auch schon einmal über den Einbau einer Kamera nachgedacht, um von überall Deinen 3D-Drucker beobachten zu können. Diese kostspielige Variante gibt Dir zwar ein gute Gefühl, allerdings kannst Du eine ähnliche Sicherheit auch deutlich günstiger erreichen. Noch dazu ist ein Beobachten des 3D-Druckers, ob live oder per Webcam, nicht mehr nötig – die Elektronik schaltet einfach automatisch ab. Die Lösung sind Thermoschalter*.

Funktionsweise eines Thermo- bzw. Temperaturschalters

TemperaturschalterIm Grunde ist ein Thermo- bzw. Temperaturschalter nichts anderes als ein gewöhnlicher Schalter im Elektronikbereich. Das besondere an ihm ist nun aber, dass dieser nicht durch eine mechanische Kraft (das drücken oder schieben des Schalters) sondern durch Temperatureinwirkung betätigt wird. Um dieses Verhalten zu erzeugen wird meist eine Art Bimetall verwendet. Ein Bimetall ist ein Verbund aus zwei Metallen, welche einen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Ein Wärmeausdehnungskoeffizient gibt übrigens an, um wie viel Meter sich ein Material der Länge x bei einer Temperaturerhöhung um 1 Kelvin ausdehnen würde. Dieses Verhalten wird in einem Thermoschalter ausgenutzt, um einen Schalter zu betätigen. Unter Temperatureinfluss verbiegt sich das Bimetall und betätigt ab einer bestimmten Temperatur einen Schalter.

Thermoschalter gibt es in unterschiedlichen Arten und Ausführungen. Diese unterscheiden sich vor allem in der Schalttemperatur. Also jene Temperatur bei der der Thermoschalter den Stromkreis öffnet oder schließt. Je nach Ausführung kann dieser den Stromkreis entweder öffnen (NC) oder schließen (NO). Die häufig zu findenden Abkürzungen (NC) oder (NO) bei der Typenbezeichnung beziehen sich dabei auf den Ausgangszustand, also den nicht ausgelösten Zustand (Schalttemperatur wird nicht erreicht), des Thermoschalters. NC steht für „Normally Closed“ (unter der Schalttemperatur ist der Stromkreis geschlossen) und NO für „Normally Open“ (unterhalb der Schalttemperatur ist der Stromkreis geöffnet).

Ein weiterer Unterschied stellt das Gehäuse des Thermoschalters da. Dieses wird häuft in einer Kunststoff- oder Metallvariante angeboten. Kunststoff-Thermoschalter sind leichter und günstiger als Metall-Thermoschalter, leiten aber auch die Wärme schlechter (Schalter reagiert träger). Ist eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine schnelle Reaktionsfähigkeit des Thermoschalters erwünscht, sollte die Metallvariante bevorzugt werden.

Thermoschalter bei 3D-Druckern

TemperaturschalterThermoschalter in 3D-Druckern finden nur selten Anwendung. Vor allem bei günstigen 3D-Drucker Bausätzen oder Fertiggeräten werden diese nicht eingesetzt. Unverständlich, da diese generell günstig zu beschaffen sind und einfach in den Stromkreis integriert werden können. Zur Integration eines Thermoschalters in den 3D-Drucker sind keine Softwareänderungen notwendig. Der Thermoschalter wird völlig eigenständig betrieben und wird somit auch nicht durch mögliche Softwareabstürze beeinflusst – ein wichtiger Punkt. Der beste Schutz-Algorithmus nützt Dir nichts, wenn dieser nicht oder nicht wie gedacht ausgeführt wird (z.B. durch fehlerhafte Implementierung oder Überlastung des Mikrocontrollers).

Einbauen kannst Du einen Temperaturschalter bei allen Komponenten die im Hinblick auf die Temperatur überwacht werden sollen. Transistoren, Mikrocontroller, ein Heizbett oder das HotEnd – alles möglich. Sinnvoll ist bei 3D-Druckern vor allem das HotEnd und das Heizbett zu überwachen. Beides geschieht üblicherweise mit Temperaturfühlern, welche nicht redundant ausgeführt sind. Die Folgen bei einem defekt des Temperaturfühlers können harmlos und auch dramatisch sein. Je nach Art des Defektes sorgt dies für ein ununterbrochenes Heizen des Heizelementes.  Dies wiederum kann einen Brand bedeuten, da Komponenten überhitzen und Feuer fangen können. Hausbrände sind, wie die Vergangenheit zeigte, eine mögliche Folge.

Einbau eines Thermoschalters in 3D-Druckern

Der Einbau des Schlaters in 3D-Drucker ist keine große Angelegenheit wenn die fließenden Ströme begrenzt sind. Üblicherweise können Thermoschalter in Reihe mit einer 40W Heizpatrone betrieben werden. Die Heizpatrone benötigt bei 12V einen Strom von 3,33A, welchen marktübliche Thermoschalter handhaben können. In diesem Fall kann der Thermoschalter einfach in Reihe zu der Heizpatrone betrieben werden und z.B. mit Hilfe von Wärmeleitkleber* am HotEnd angebracht werden.

Für den Betrieb am Heizbett kann der Thermoschalter in der Regel nicht in Reihe zu einem Heizbett betrieben werden, da der fließende Strom zu groß ist. In diesem Fall wird die Elektronik des 3D-Druckers in vielen Fällen ohnehin schon durch dein SSR (Solid-State-Relay) entlastet. Dies kann ausgenutzt werden und der Temperaturschalter in Reihe zu Schalt- bzw. Signalseite des SSR’s betrieben werden. Dies sorgt dafür, dass im Fehlerfall das SSR nicht mehr schalten kann, da die Signalleitung zwischen 3D-Drucker Elektronik und SSR durch den Thermoschalter unterbrochen wird. Hier sollte dann auf einen NC-Thermoschalter gesetzt werden, damit im Normalfall das SSR wie gewohnt schalten kann. Ist kein SSR verbaut und die Leistung des Heizbettes dennoch zu groß, muss ein zusätzlicher Transistor zwischengeschaltet werden, dessen Steuerung im Fehlerfall durch den Thermoschalter unterbrochen werden kann. In einem weiteren Beitrag werden wir auf diesen Fall jedoch gesondert eingehen.

Beachte beim Einbau eines Thermoschalter unbedingt, dass ein guter Wärmeübergang gewährleitet ist. Erreicht die Wärme nicht den Thermoschalter, kann dieser auch nicht auslösen. Aus diesem Grund sollte der Thermoschalter immer in der Nähe der Wärmequelle angebracht werden und ein guter Wärmeübergang gewährlietet werden. Diesen kannst Du z.B. durch die Verwendung von Wärmeleitpaste* oder Wärmeleitkleber* erreichen.

Fazit

Thermoschalter erhöhen die Sicherheit bei dem Betrieb von 3D-Druckern signifikant und sollten als ein essenzielles Sicherheitsmerkmal eingebaut werden. Der günstige Preis und der in vielen Fällen einfache Einbau, machen den Thermoschalter zu einer attraktiven Möglichkeit die Sicherheit in Deinem 3D-Drucker zu erhöhen.

Quellen

ALL3DP – 3D-Drucker sorgt für Hausbrand

Wikipedia – Temperaturschalter