Sicherheitsoffensive Teil II – Redundante Temperaturfühler

Wie wir Dir auch schon im ersten Teil unserer Sicherheitsoffensive geschildert haben, verursachen 3D-Drucker immer wieder Unfälle – teilweise auch tödliche. Damit Du das Risiko deutlich reduzieren kannst haben wir Dir bereits Temperaturschalter vorgestellt und möchten Dir in diesem Beitrag nun redundant ausgeführte Temperaturfühler vorstellen. Der etwas sperrige Name ist einfach erklärt. Es handelt sich dabei einfach um mehrfach vorhandene Temperaturfühler, um den Ausfall eines (oder mehrerer) Temperaturfühler kompensieren und erkennen zu können.

Redundante Temperaturfühler in 3D-Druckern

Gewöhnliches HotEnd mit TemperaturfühlerRedundante Temperaturfühler werden in 3D-Druckern nur sehr selten vorgesehen, obwohl der Zugewinn an Sicherheit durchaus erwähnenswert ist. Das Problem bei 3D-Drucker die nur einen Temperaturfühler am HotEnd verwenden ist schnell erklärt. Liefert dieser schlichtweg falsche Werte (durch einen teilweise defekten Fühler), löst sich am HotEnd oder wird anderweitig beschädigt, liefert dieser falsche Werte. Im schlimmsten Fall meldet der Sensor deutlich niedrigere Temperaturen oder eine durchgehend konstante Temperatur, welche dazu führt, dass die Heizpatrone durchgehend heizt. Die Heizpatrone erreicht dabei mühelos Temperaturen von bis zu 600°C. ABS hat einen Flammpunkt von ca. 400°C und PLA von ca. 388°C. Die Heizpatrone erreicht somit mühelos die notwendigen Temperaturen um das Filament zu entzünden. Praktischerweise wird die Filament-Spule in vielen 3D-Druckern, vor allem bei dem weit verbreiteten Prusa-Modellen, über dem HotEnd platziert. Der Brand kann somit problemlos auf die Spule übergreife und diese ebenfalls in Brand setzen. Je nachdem welche Gegenstände sich außerdem in der Nähe befinden, ist ein Vollbrand nicht ausgeschlossen.

Durch den Einsatz von redundanten Temperaturfühlern wäre dieses Szenario sehr unwahrscheinlich. Ein gleichzeitiger Ausfall beider Temperaturfühler kommt quasi nie vor. Hier wäre der Brand vermieden worden, denn es lässt sich leicht feststellen, dass zwei Temperaturfühler deutlich unterschiedliche Werte messen, obwohl diese eig. annähernd die gleichen Werte messen müssten. Der Fehler lässt sich so sehr einfach registrieren und entsprechend reagieren (Abschalten des Druckers bzw. der Heizpatrone).

Redundante Temperaturfühler in Marlin einrichten

Verwendest Du die Marlin-Firmware, kannst Du einen redundanten Temperaturfühler sehr einfach einrichten. Dazu kommentierst Du einfach folgende Zeile in der Configuration.h aus (die beiden „//“ entfernen):

//#define TEMP_SENSOR_1_AS_REDUNDANT

In der nachfolgenden Zeile

#define MAX_REDUNDANT_TEMP_SENSOR_DIFF 10

kannst Du einstellen wie viel Grad unterschied zwischen beiden Temperaturfühler herrschen darf. Wird diese Differenz überschritten, wird der Druck abgebrochen und die Heizpatrone ausgeschaltet. In diesem Beispiel sind 10°C eingestellt. Verwendest Du ein RAMPS 1.4, kannst Du nun an den Anschluss T0 und T1 jeweils einen Temperaturfühler anschließen und beide an Deinem HotEnd befestigen.

Alternative statt redundanter Temperaturfühler

Möchtest Du auf redundant ausgeführte Temperaturfühler bei Deinem HotEnd verzichten, bietet die Marlin-Firmware noch eine weitere Option eine ähnliche Sicherheit zu erreichen. Schaue Dir dazu folgende Zeile in der Configuration.h genauer an:

// Extruder temperature must be close to target for this long before M109 returns success
#define TEMP_RESIDENCY_TIME 10 // (seconds)
#define TEMP_HYSTERESIS 3 // (degC) range of +/- temperatures considered „close“ to the target one
#define TEMP_WINDOW 1 // (degC) Window around target to start the residency timer x degC early.

Typische NTC TemperaturfühlerMit diesem Feature wird sichergestellt ob der Temperaturfühler noch korrekt arbeitet und nicht ständig den selben Wert misst (bei einem defekt). Du wirst festgestellt haben, das die Temperatur bei deinem HotEnd immer ein wenig schwanken wird und nie auf einem konstanten Wert stehen bleibt. Dies kommt durch die Art der Regelung (PWM), zusätzlicher Luftströmung am HotEnd und der unterschiedlichen Druckgeschwindigkeit zusammen und lässt sich nur mit einer aufwändigeren Regelung und mehr Masse am HotEnd beeinflussen. Dieses Verhalten kann jedoch auch ausgenutzt werde, um den Temperaturfühler zu überwachen.

Wird für die Zeit die bei

#define TEMP_RESIDENCY_TIME 10 // (seconds)

eingestellt wird (hier 10 Sekunden) eine Temperaturschwankung kleiner als bei

#define TEMP_HYSTERESIS 3 // (degC) range of +/- temperatures considered „close“ to the target one

eingestellt, gemessen, wird der Druck abgebrochen. Diese Überprüfung findet jedoch nur zu Beginn des Druck in der Aufheizphase des HotEnds statt und wird genutzt um die Temperaturstabilität vor dem Start des Druckes sicherzustellen. Mit den folgenden Einstellungen kann jedoch ähnliches erreicht werden, wie mit redundanten Temperaturfühlern:

#define HEATER_0_MINTEMP 5
#define HEATER_1_MINTEMP 5
#define HEATER_2_MINTEMP 5
#define HEATER_3_MINTEMP 5
#define BED_MINTEMP 5
#define HEATER_0_MAXTEMP 285
#define HEATER_1_MAXTEMP 275
#define HEATER_2_MAXTEMP 275
#define HEATER_3_MAXTEMP 275
#define BED_MAXTEMP 130

Mit diesen Einstellungen kannst Du bestimmen welche Maximal- und Minimaltemperatur erlaubt ist. Wird diese Grenze über- bzw. unterschritten, wird der Druck abgebrochen. Du solltest dabei jedoch beachten, das dir diese Option wenig hilft wenn der Temperaturfühler einen falschen, konstanten Wert liefert, der in diesem Temperaturbereich liegt. In diesem Fall wird auch weiterhin die Heizpatrone kontinuierlich heizen und ggf. einen Brand verursachen. Die beste Lösung ist und bleibt demnach ein redundant ausgeführter Temperaturfühler. Fix und fertig verkabelte Temperaturfühler findest Du zum Beispiel hier:

 

Fazit

Redundante Temperaturfühler sind die beste Möglichkeit den Defekt eines Temperaturfühlers verlässlich detektieren und entsprechend reagieren zu können. Die vorgestellten Alternativen sind zwar brauchbar, allerdings können diese redundant ausgeführte Temperatursensoren nicht ersetzen. Steigere Deine Sicherheit und baue Dir redundante Temperaturfühler ein. Wird am besten auch einen Blick auf unseren ersten Teil der Sicherheitsoffensive: Temperaturschalter.

Quellen

3Druck.com – 17 Jährgier stirbt bei Explosion im Zusammenhang mit Haarspray und 3D-Druckern

YouPrintin3d.de – Flammpunkt ABS

MakerBot.com – Flammpunkt PLA

MarlinFW.org – Marlin-Firmware einstellen