Entwicklung eines segmentierten Heizbettes für FFF 3D-Drucker

Abstract

Handelsübliche "Fused Filament Fabrication" (FFF) 3D-Drucker benötigen typischerweise deutlich mehr Zeit zum Aufheizen des beheizbaren Druckbetts, als zum Aufheizen des Extruders. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Prototypen eines segmentierten Heizbetts. Dies ermöglicht das Aufheizen einzelner Segmente, wodurch nur jene Teile des Heizbetts erhitzt werden müssen, auf denen ein Bauteil gedruckt wird. Dadurch kann das Heizbett aufgrund der kleineren aktiven Fläche bei gleichbleibender Leistung schneller erhitzt werden.Im ersten Schritt wurde ein Konzept für die Z-Achse des 3D-Druckers entwickelt und umgesetzt. Für das Heizbett wurden unterschiedliche Konzepte erarbeitet, welche mittels thermischer und statischer Finite Elemente Simulationen miteinander verglichen wurden. Als Heizelemente werden PCBs verwendet, welche sich durch den durch sie fließenden Strom erhitzen. Zur Regelung wurde eine eigene Firmware entwickelt, die auf einem Arduino Due Mikrocontroller läuft. Für die Ansteuerung der Segmente wurde eine Matrixschaltung entwickelt, die durch gezieltes Einschalten von Eingangs- und Ausgangs-MOSFETs die gewünschten Segmente ansprechen kann. Um im Hinblick auf stark segmentierte Heizbetten Material und Verkabelungsaufwand zu sparen, wird die Temperatur der einzelnen Segmente indirekt über den durch die Segmente fließenden Strom gemessen. Ermöglicht wird dies durch die Temperaturabhängigkeit des Segmentwiderstandes. Beim fertigen Heizbettprototyp wurde die Aufheizdauer mit unterschiedlichen Anzahlen aktiver Segmente ermittelt.

The heated bed of commercially available "Fused Filament Fabrication" (FFF) 3D printers usually take longer to heat up than the extruder. The goal of this thesis is to develop a prototype of a segmented heated bed which enables the heating of individual segments. Thus only parts of the heated bed need to be active where components are printed. This means the heated bed can be heated up faster due to the smaller active area while maintaining the same power requirement. In the first step a concept of the Z axis of the printer was developed and implemented. Different concepts were developed for the heated bed and compared using thermal and structural finite element simulation. PCBs were chosen as heating elements which heat up due to the current flowing through them. To control the heated bed a firmware was developed which runs on an Arduino Due microcontroller. To drive the segments a matrix circuit was developed which uses systematic switching of input and output MOSFETs to activate specific segments. To save on material and simplify the cable management especially for highly segmented heated beds, the temperature of individual segments is measured indirectly using the current that flows through the segments. This is possible due to the temperature dependance of the segment's resistance. Using the finished prototype the duration until the target temperature was reached was measured with different counts of active segments.