Theorien über die Extruderheizung

[georg-AW]

Hi
Hier eine Möglichkeit ( Version A ) eines Induktionshotends. Das Führungsrohr ist amagnetisch , darauf sind ferromagnetische Rohrabschnitte in geeigneter Zahl und Länge ( Pos. muss empirisch bestimmt werden ) aufgepresst. Ein mit Gewinde versehener fester Düsenteil hat ein Sackloch worin ein Standardthermistor ( Glastropfenform ) sitzt. Das feste Düsenteil ist ferromagnetisch und mit dem Führungsrohr hartgelötet. Führungsrohr und festes Düsenteil sind mit einer Reibahle auf zb. 3.2mm bearbeitet. Ein ferromagnetisches Schutzrohr umschliesst die Thermistorleitung welche oberhalb der Induktionswicklung austritt. Da sich das Schutzrohr auf Betriebstemperatur erhitzen kann, muss die Thermistorleitung PTFE isoliert sein.
Alternativ kann der Spulenkörper eine Bohrung zur Aufnahme der Thermistorleitung mit Schutzrohr haben ( hier nicht dargestellt ).
Die Wicklung ist auf dem Bild reinkopiert.
Das Ding sieht ähnlich aus wie im post von Nibbels.

Eine mögliche Version B könnte eine Spule mit Mittelanzapfung haben, dadurch würde eine Lücke frei so dass ein IR Temperatursensor von der Seite
auf das Führungsrohr schauen könnte. Berührungslose Temperaturmessung.
Das Führungsrohr im Bild ist eine Abwandlung einer Versuchsanordnung welche ich vor ein paar Jahren gebaut habe.
Nicht dargestellt ist der Kühler oberhalb des Heatbreaks. Es wird ein LED Sternkühler in Cu oder Al sein. Evl auch ein E3d .( billiger aber länger)
Mal schauen wie der Temperaturverlauf auf der gesamten Länge aussieht. Dazu wird ein Generator mit Leistungsausgang und einstellbarer Steuerstufe benötigt. Muss zuerst noch gebastelt werden. Obs klappt weiss man nicht.

ciao Georg

[AtlonXP]

Hallo zusammen,
ich habe das Gefühl, dass es uns hier etwas noch am physikalischen Verständnis fehlt.
Darum hatte ich auch #59, etwas verorgelt geschrieben.

Am Beitrag Anfang, sind eine paar englische Dokumente verlinkt, die ich nicht vollständig gelesen habe.
Kann auch sein, dass ich auf dem Holzweg bin.

Dem Anschein nach, werden die Materialien bei uns, nach der Magnetisierbarkeit eingestuft.
Das ist der falsche Ansatzpunkt.

Vielmehr geht es beim Werkstoff um die elektrische Leitfähigkeit!
Darum möchte ich hier das Funktionsprinzip der Wirbelstrom Bremse vorstellen.
https://de.wikipedia.org/wiki/Wirbelstrombremse

Dem Zufolge sollte sich Kupfer, Messing und ALU am meisten unter Wirbelstrom erwärmen
und Edelstahl am wenigsten.

Ferrit und Trafo Blech sollten vermulich einfach unter Stahl eingeordnet werden.

Ich vermute auch, dass sich Edelstahl am besten eignet zum Abschirmen.
Um eine sehr gute Leitung im Wechselstrom zu bekommen, werden Drähte gerne versilbert (Skin Effekt).


LG AtlonXP

[georg-AW]

Hi AtlonXP

Wäre es so wie du schreibst, würden verschiedene technische Prozesse, bei welchen induktiv beheizt wird, nicht mehr funktionieren.

Induktiv erhitzen, induktiv kochen, induktiv härten, induktiv Schmelzen ( Mittelfrequenzöfen) etc.

Du bist mit Sicherheit auf dem Holzweg und könntest mit deinen Ansichten und Vermutungen auf dem viehsikalischen Scheiterhaufen enden.

Die induktive Erwärmung beruht auf zwei Effekten.( Nun kommt eine stark vereinfachende Erklärung !)

1. Wenn eine zylindrische Kupferspule von einen Wechselstrom durchflossen wird, entsteht ein wechselndes Magnetfeld welches in einer zweiten sekundären Spule die vom gleichen Feld durchflutet wird, eine Spannung induziert. Wenn diese Sekundärsspule aus einem geschlossenen Ring ( dh = Spule mit einer Windung) besteht fliesst darin ein Wechselstrom welcher bei richtiger Anordnung den Ring erhitzen kann.

2. Besteht diese Sekundärspule aus einem magnetisierbaren Material so entstehen darin , vor allem bei höherer Frequenz, zusätzlich Ummagnetisierungsverluste welche die Sekundärspule erhitzen. ( diese Sekundärspule könnte ein Stahl-Ring oder eine Düse aus magnetisierbarem
Material sein. Beispielsweise bei einem Hotend )

Bei einem induktionsgeheizten Hotend haben wir zwei mögliche Situationen:

1.Wenn sich innerhalb der Primärspule eine ferromagnetische Sekundärspule mit einer Windung befindet ( zb. eine Eisenring ), haben wir die Erwärmung durch die Magnetisierungsverluste und durch die Erwärmung durch den Strom der durch den kurzgeschlossenen Ring fliesst.

2. Fehlt die Ringform, ist kein Kurzschlusstrom vorhanden, so bleiben praktisch nur die Ummagnetisrungsverluste welche zb einen Eisenstab erhitzen können. Dies funktioniert aber nicht bei einem Alu oder Messingstab oder Rohr.

Natürlich ist es wichtig, dass die Frequenz des Systems geeignet ist, allgemein verwendet man Frequenzen von 20 bis 200 kHz.
Ein Skineffekt tritt dabei weniger stark auf, er entsteht erst bei höheren Frequenzen wo der Strom nur noch an der Oberfläche des Leiters fliesst. Deshalb die vergoldeten/versilberten Oberflächen bei Höchstfrequenzkomponenten.
So sind zb Kochtöpfe für Induktionskochplatten vorzugsweise aus ferromagnetischen Stahl oder enthalten einen Eisenring wenn sie aus Al oder Cu hergestellt werden. Es können auch ganz in ferromagnetischem Material gefertigte Pfannen mit spezieller Ausformung eingesetzt werden.

Teile aus Alu , Messing bzw. V2A etc. können für die induktive Erwärmung nicht verwendet werden.

Alu ist diamagnetisch und wird deshalb zb als Rotorscheibe bei bestimmten Elektrozählern eingesetzt. Hat mit Erwärmung nichts zu tun.
Bei Ferriten und Trafoblechen wird durch die Aufteilung in kleine ferromagnetische Einheiten erreicht, dass die Verluste durch Erwärmung sehr klein sind.
Bei der Wirbelstrombremse kommt die Lenzsche Regel ( rechte Hand Regel ) zum Einsatz wobei bei einem bewegten Magnetfeld ein entgegensetzte Kraft entsteht welche zb. einen Zug abbremsen kann.

Nichteisenmetalle können elektrische Felder abschirmen aber keine magnetischen Felder ! Eine Abschirmung der Thermistorleitung müsste deshalb innerhalb der Spule aus ferromagnetischem Material sein.
[/
ciao Georg

[AtlonXP]

Hallo georg-AW,
danke für deine umfangreiche Antwort.
In der Tat dachte ich an den Lenz.

Seinen Merksatz habe ich noch aus der Schule:
„Jeder Strom durchflossene Leiter, erzeugt ein Magnetfeld“.

Und wenn der Zeigefinger in deine Richtung zeigt, geht der Daumen hoch!

Aber so wie von dir beschrieben, gibt es noch weitere Faktoren die ich nicht auf dem Schirm habe.
Ich hatte die Wirbelstrom Bremse darum als Beispiel angeführt,
weil diese bei niedriger Drehzahl kaum eine Bremswirkung zeigt.
Bei einer höheren Drehzahlen aber immer mehr.
Wenn das Ding richtig bremst, dann muss auch Wärme entstehen.

Ich weiß natürlich nicht genau wo, aber ich vermute es ist die ALU Scheibe.
Was soll sonst auch mit der Energie passieren, wenn diese nicht in Wärme umgewandelt wird.

Ich folgere daraus, es müssen in der ALU Scheibe (Wirbel) Ströme entstehen,
sonst würde das Ding nicht bremsen.

Wenn ich es gedanklich noch etwas weiter spinne, dann lande ich bei einem Drehstrom Motor und seiner Nenndrehzahl, wo dieser die meiste Kraft ausübt.

Alu ist diamagnetisch und wird deshalb zb als Rotorscheibe bei bestimmten Elektrozählern eingesetzt. Hat mit Erwärmung nichts zu tun.

Diese Scheibe dreht sich viel zu langsam.
Aber sie dreht sich!

LG AtlonXP

[zero K]

...
Diese Scheibe dreht sich viel zu langsam.
Aber sie dreht sich!
...

... als ich noch eine im Stromzähler hatte, war ich immer der Meinung, sie dreht sich zu schnell.

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Dass ein Induktionshotend nicht schon längst in der breiten Masse zur Anwendung kommt, möglicherweise sogar durch Regularien, kann das auch daran liegen, dass es zu Störungen bei allgenwärtigen Funksystemen kommen kann?

Dort, wo Induktionsheizanlagen, z.B in Schleudergussgeräten betrieben werden, muss durch Warnschilder auf Gefahr für Schrittmacher- und Defibrilatorpatienten hingewiesen werden.
Die Induktionsheizung in solchen Geräten ist nur wenige Sekunden in Betrieb, um eine Überhitzung und Überzeitung der Schmelze zu verhindern.
Die Induktionsheizung eines Druckers ist unter Umständen mehrere Tage in Betrieb.
Die Belastung und Gefahren kann ich nicht abschätzen.
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Zur Isolierung der Thermistoren
Es gibt Keramikrohr, 5 bis 6 mm Außendurchmesser mit zwei achsparallelen Bohrungen.
Zur Heizzonenmessung eines Brennofens hat mir "TC Mess u. Regeltechnik" ein freiliegendes Themoelement Typ S an einem 500 mm Keramik Schutzrohr gebaut. Innen wurden die beiden Leitungen in zwei "Bohrungen" von einander isoliert zum Messumformer geführt.

Gruß zero K

[georg-AW]

Hi

Dass ein Induktionshotend nicht schon längst in der breiten Masse zur Anwendung kommt, möglicherweise sogar durch Regularien, kann das auch daran liegen, dass es zu Störungen bei allgenwärtigen Funksystemen kommen kann?

Das ist wahrscheinlich so. Conrad oder andere Hersteller müssten für die CE Zulassung umfangreiche und teure EMV Tests machen. Dann ist, wie schon früher erwähnt, die EU Patentsituation derart, dass der Schutz noch für viele Jahre zb. bei Ultimaker liegen. Man kann ein Induktions Hotend nicht so einfach auf den Markt bringen.
Finanziell wirds darum uninteressant.
Privat darf ich natürlich für mich selbst jederzeit ein solches System bauen.

ciao Georg

[rf1k_mjh11]

Hallo,

Ich bin wieder einmal im Hintertreffen.

NTC Thermistoren:

NTC Widerstand ( wird heute verwendet ). Nachteil: Er muss in die Düse versenkt werden, muss physischen Kontakt haben. Er kann beim Düsenwechsel abgerissen werden. Er muss im Induktionsfeld abgeschirmt werden weil er sich bzw. seine Anschlussdrähte miterwärmt.
Die Standardsensoren im Glas eingeschmolzen haben praktisch immer DUMETdrähte ( Fe-Ni-Kern- Kupfer Überzug) weil diese denselben Ausdehnungskoeffizienten wie Glas haben. Temperaturbereich von NTC Widerständen bis max. 290-300 °C, sie sind stark nichtlinear !
NTC ( Thermistoren ) mit Platinanschlüssen sind mir unbekannt, Platin liesse sich nicht ohne weiteres im Glas einschmelzen oder auch nicht weichlöten. Platin ist völlig amagnetisch. Platin wäre sehr teuer. Meines Erachtens ungeeignet.

Hier ein Screenshot eines Thermistors mit Platinanschlussdrähten:

PlatinumThermistorWire_1.jpg

Die Größe des Sensors von 1.5mm ist schon sehr zierlich. Die Drähte sind entsprechend kurz und werden ge-crimpt werden müssen.
Laut Angabe sind also die Anschlussdrähte aus Platin und werden vom Magnetfeld nicht beeinflusst. Was aber in der winzig kleinen Glasperle ist, bleibt unbekannt und könnte sich ungewollt erwärmen und zu falschen Werten führen (siehe PDF).

8c-ntcnotes.pdf

Man müsste so einen Sensor in eine induktive Spule positionieren und den Temperaturverlauf beobachten. Nur den Sensor, um zu sehen, ob er sich erwärmt.
Jetzt nach der Durchsicht der PDF glaube ich weniger an die Erwärmung durch das Induktive Feld.
Zitat aus der PDF:

"The NTC thermistors which are discussed herein are composed of metal oxides. The most commonly used oxides are those of manganese, nickel, cobalt, iron, copper and titanium."

Wenn die metallischen Oxide nicht magnetisch sind, klappt es.

Berührungslose IR Messung:
Wenn man an das schöne weiße Pulver, dass Nibbels hier einmal vorstellte, denkt, sollte man sich einen optischen Sensor gut überlegen. So ein billiges Fernthermometer, wie ich es gelegentlich zur Kontrolle einsetze, wird für ein paar Sekunden eingeschaltet. Eine kontinuierliche Überwachung des Hot Ends dauert hingegen so lange wie der Druck, also bis zu 24h oder mehr. Dazu kommen die geringen Mengen an Ausdünstungen, die am Sensor kondensieren können und ebenso das Messergebnis beeinträchtigen können (siehe Nibbels Pulver).
Beim Drucken kommt (beinahe unvermeidlich) immer wieder Material auf die Außenseite der Düse und 'verschmutzt' diese (sieht man in allen möglichen Videos und Bilder). Wie wirkt sich das auf die stabile IR Emission aus, bzw. auf das Messergebnis?

mjh11

[georg-AW]

Hi mjh11

Vielen Dank für den Platinthermistor und den Hinweis betr. Verschmutzung des Hotends durch sublimierte Filamentbestandteile. Das könnte
tatsächlich ein Killerargument sein für den Einsatz eines berührungslosen IR Sensors. Der Sensor muss ja in unmittelbarer Umgebung der Düse positioniert werden. Wenn das Silizium oder Germaniumfenster mal zugekleistert ist..
In dem Falle wären Thermistor oder Thermoelement zu bevorzugen. Der superkleine NTC mit Platinbeinchen ist ja toll, ich müsste in die Beinchen allerdings noch ein Gewinde schneiden um den anzuschliessen, meine Fillieren im Lager sind aber zu klein
Die Länge von gerade 6mm bedeutet, dass ich da Verlängerungen ansetzen muss. No way, Platin löten ist ein Graus.> 450°C
Ein Standard NTC mit ferromagnetischem Abschirmröhrchen wirds schon richten. Nur ein ein Doppelkeramikröhrchen, wie in gewissen Muffelöfen, reicht da nicht. Keramik ist bezüglich Abschirmung von elektr. oder magnetischen Feldern völlig nutzlos.

ciao Georg

[AtlonXP]

Hallo georg-AW,
so langsam scheint es hier dem Ende zu zugehen.

Wäre es nicht am einfachsten, sich mit Teilen vom E3D V6 zu bedienen?
Es gibt dort Düsen aus Stahl.
Der Heizblock könnte ein einfaches rundes Drehteil sein.
Je nach Bedarf komplett aus ALU oder eine Kombi Stahl <-> Alu.

Bitte steinige mich nicht jetzt.
Ich vermute das ALU schon etwas von dem Magnetismus abhält.
Es wird auf jeden Fall darin was verbraten, in Form von Wirbelströmen und Wärme.

Ich würde den Thermistor dort von oben nach unten außerhalb des Zentrums durchziehen.
(Im Zentrum verläuft der Schmelzdraht)
Der Anfang des Thermistors, sollte so dicht wie möglich,
an dem Gewindeansatz der Düse im Heizblock Kontakt haben.

Wenn in dem Drehteil auch noch zusätzlich Stahl verbaut ist,
(Zwei Drehteile aus Alu und Stahl verschraubt)
müsste der Thermistor nur bis in den Stahlbereich reichen.

Sollte die Abschirmung nicht reichen, dann ist halt so ein handgemachtes Röhrchen aus Trafoblech,
oder ähnlichem Pflicht.

Auch mache ich mir Gedanken, wie wird wohl des Elektrische Signal aussehen,
wo beim Arduino ankommt und wie lange der das verdauen kann?

Das Hitzebrecher Rohr gibt es in Titan und Edelstahl Ausführung.
Ich glaube nicht dass dort der Werkstoff Stahl erwünscht ist.

Als optimal sehe ich, wenn wir nur um die Düse herum mit Induktion beheizen.
Der Rest steigt nach oben Richtung Kühlkörper weg.

Vom Prinzip hat anwofis es schon gezeigt.

LG AtlonXP

[georg-AW]

Hi Atlon
Es ist hoffnungslos.
Die Realität wird dich nicht steinigen aber Rädern. Du versuchst dir eigene Physikgesetze zu basteln. Das wird scheitern. Bau einen funktionierenden Prototypen und melde dich dann in der Universität von Perm.

Ciao Georg