Heated Bed


Wir haben uns entschieden ein heated Bed zu bauen und dazu diese Anleitung zu schreiben. Obwohl viele gängige Lösungen online beschrieben sind, haben wir erstaunlich wenig zum Thema Drahtbeheizte Metallplatte gefunden. Dies hat jedoch, besonders bei grösseren Aufbauten den Vorteil, dass die Leistung skalierbar ist und die Hitzeverteilung sehr Gleichmässig. Zusammen mit der Steifigkeit des Materials bildet es daher die Ideale Unterlage für eine Glasplatte und ist darüber hinaus mit wenig Aufwand skalierbar.

Schichtweiser Aufbau des Heated Bed

Als Ausgangspunkt für das hier vorgestellte Heated Bed dient eine bereits vorhandene Konstruktion einer Portalfräse. Dieser Aufbau besteht von oben nach unten aus:

  1. Polyimid Klebeband
  2. Glasplatte
  3. Aluplatte
  4. Polyimid Klebeband
  5. Heizdraht
  6. Polyimid Klebeband
  7. Thermoresistoren
  8. Korkplatte
  9. Holzplatte

Das gibt einen Groben Überblick über die hier vorgestellte Konstruktion, spiegelt jedoch nicht die Reihenfolge des Aufbaus wieder. Und da ein solcher Aufbau nur gut funktionieren kann, wenn man sich vorher Gedanken macht, ist dies die richtige Stelle um die Entscheidungen etwas näher zu erläutern.

Die Größe der Aluplatte ist der Erste Punkt, denn diese ist die Grundlage für den Rest des Aufbaus. Aufgrund der Angebotenen Größen auf Ebay, der Fahrwege der Fräse und natürlcih auch des Preises ist die Auswahl auf eine 450 x 350 x 8 mm große Aluminiumplatte gefallen. Die 8mm Dicke des Materials sorgen für eine gewisse Steifigkeit beim Zusammenpressen, lassen sich ganz gut mit einer low end Portalfräse bearbeiten und bieten nach Gefühl genug Dicke, damit sich die Hitze gleichmäßig verteilen kann. Gleichzeitig ist die Fläche relativ groß, was große Objekte ermöglicht aber auch genug Leistung benötigt, um auf Temperatur zu kommen.

Leistung des Heizdrahtes berechnen

Bei dem Thema Temperatur ist der Nickel Chrom Draht die nächste wichtige Komponente. Diesen gibt es relativ Günstig auf Ebay als 25m Rolle in unterschiedlichen Dicken zu kaufen. Obwohl beim Bau dieses Heated Beds die Auswahl aus Gefühl auf die 0,5mm Variante gefallen ist, so hat sich dieser beim Nachrechnen als optimal herausgestellt. Die angestrebte Leistung beträgt ca. 450W und wird über ein PC Netzteil betrieben. Somit ist die Verwendete Spannung 12V und die Gefahr sich einen saftigen Stromschlag direkt aus der Steckdose zu holen gemindert. Es gibt natürlich mehr als eine Möglichkeit den Draht, der 7,1 Ohm/m hat, zu verlegen wobei folgende Formeln zeigen, mit welchen Abmessungen man auf ca. 450W kommen kann.

    \[R_1=7,1\Omega \times 0,45m \times 2 = 6,39\Omega\]

    \[U = R \times I \Rightarrow I = \frac{U}{R}\]

    \[P=I \times U = \frac{U}{R}\times U = \frac{U^2}{R}\]

    \[P_1=\frac{(12V)^2}{R_1}=\frac{144V^2}{6,39\Omega}\approx22,54W\]

    \[P_{tot}=450W \approx 22,54W \times 20 = 450,8W\]

Der Draht wird dabei der Längstseite entlang doppelt gelegt um mit 2 x 450mm auf ca. 0,9m zu kommen. Dieses Drahtsegment setzt entsprechend bei 12V eine Leistung von 22,54W frei. Durch 20 solcher Segmente erreicht man eine Gesammtleistung von 450W sofern man diese parallel betreibt. Es würde sich an dieser Stelle anbieten, die Segmente einzeln über einen Microcontroller zu steuern, jedoch ist aufgrund der Anforderung der gleichmäßigen Erhitzung eine Gruppierung sinnvoller. In diesem Fall wurde als Aufteilung fünf Gruppen gewählt, wobei eine Gruppe vier parallel Geschaltete Segmente enthält.

    \[R_{grp}=\frac{7,1\Omega \times 0,45m \times 2}{4} \approx 1,60\Omega\]

    \[P_{grp}=\frac{(12V)^2}{R_{grp}} = \frac{144V^2}{1,60\Omega}=90W\]

Schematische Ansicht der Heizschlaufen des Heated Bed

Heizschlaufengruppen

Die Abbildung soll verdeutlichen, wie die Gruppen zusammengesetzt werden. Dabei werden die farblich zusammengehörigen Schleifen parallel geschaltet und leisten dabei ca. 90W. Das hat den Vorteil, dass man die benötigte Leistung mit Offsets ansteuern kann und dabei sowohl große Lastwechsel am Netzteil als auch Belastung durch das Schalten an den FETs vermindert.

Einstellungen für exemplarische Leistungsstufen
LeistungGruppe 1Gruppe 2Gruppe 3Gruppe 4Gruppe 5
45WPWM (50%)
90WAN
135WPWM (50%)AN
180WANAN
300WANPWM (33%)ANAN
450WANANANANAN

Vorbereiten der Aluplatte

Die Länge und verteilung des Nickel Chrom Heizdrahtes ist damit festgelegt, es ist aber noch notwendig die dabei entstehende Hitze an die Aluminiumplatte zu übertragen. Um den Blanken Draht vor dem Metall elektrisch zu isolieren bietet sich die Verwendung von temperaturbeständigem Klebeband an. Für diesen Zweck bietet sich Polyimid Klebeband an, auch unter dem Markennamen KEPTON® bekannt, an, denn es hat gute elektrische Isolationseigenschaften sowie eine Hitzebeständigkeit von bis zu 350°C. Wie auch schon in der groben Zusammenstellung erwähnt ist das das verwendete Material für die Druckgrundfläche.

Bei der Verarbeitung sollte man darauf achten, dass man möglichst keine Luft- oder Schmutzeinschlüsse hat, denn diese können thermische Isolationen bilden. Das ist zwar mit dem Metalldraht und dem auftretenden Anpressdruck nicht sonderlich kritisch, jedoch ist die Technik zum sauberen Aufbringen so einfach, dass diese hier angewand wird. Dabei wird einfach die Oberfläche des Alumiums mit Wasser und Geschirrspülmittel benetzt und das Klebeband darauf angebracht und im zweiten Schritt die Lösung unter dem Klebeband mit einer Kunststoffkarte herausgedrückt.

Werkzeuge zum blasenfreien aufbringen von Klebeband

Hilfsmittel zum Klebeband aufbringen

Man benötigt nur ein scharfes Messer, Geschirrspülmittel, eine Kunststoffkarte, etwas Küchenrolle, das Polyimid Klebeband, das zu Beklebende Objekt, in diesem Fall die Aluminiumplatte und eine Unterlage wie Pappe, in die man auch etwas hineinschneiden kann. Zunächst säubert man die Platte mit Wasser und Spüli um Fettrückstände zu beseitigen. Danach trägt man mit einem Küchentuch und Wasser das Spülmittel auf, so dass genug an der Oberfläche ist, um ein Ankleben des Klebebandes zu verhindern.

Tuch mit Geschirrspülmittel

Nasse Küchenrolle mit Geschirrspülmittel

Oberfläche vor dem Bekleben eingeseift

Eingeseifte Oberfläche

Zum Glück ist das Klebeband nicht so empfindlich, so dass man beim ersten Versuch ein wenig probieren kann. Richtig ist es, wenn man das Klebeband auf die Lösung auflegt und dieses danach einfach verschieben kann.

Klebeband schwimmt zum positionieren in Seifenlösung

Klebeband im Seifenbett

Sobald man das Polyimid Klebeband ausgerichtet hat, kann man anfangen mit der Kunstoffkarte die Lösung herauszudrücken. Es ist jedoch etwas Vorsicht geboten, denn das Band fängt nach dem Herausschieben nicht unmittelbar an mit voller Kraft zu kleben. Dabei fängt man mit einem trockenen Stück Küchenrolle die herausgedrückte Flüssigkeit auf, damit diese nicht wieder unter das Klebeband gesaugt wird. Die Ausrichtung in diesem Fall ist Kante auf Kante erfolgt, was auch eine gute Möglichkeit darstellt um für das spätere Aufbringen auf Glas zu üben. Auch hat es sich als sinnvoll erwiesen, statt des hier abgebildeten 50mm breiten ein 200mm breites Polyimid Band zu verwenden. Kleinere Lücken sind hier zu verschmerzen, weil noch eine zweite Schicht aufgebracht wird, und zwar mit etwa Versatz, damit die Spalte gut abgedeckt sind.

Anbringen des Heizdrahtes

Nachdem die Grundplatte elektrisch isoliert ist, geht es an das Aufbringen des Nickel Chrom Heizdrahtes. Wie bereits weiter oben berechnet werden in dieser Konfiguration 20 doppelte Bahnen zu je ca. 90cm aufgebracht und parallel geschaltet. Um den Draht, dem durchaus ein Eigenleben zugeschrieben werden kann, sauber aufbringen zu können, haben wir uns mit der Portalfräse eine zweiseitige Halterung vorbereitet, welche auf eine temporäre Grundplatte aus Holz montiert wird. Dabei resultiert aus den Abmessungen der Grundplatte, dass die 40 Bahnen auf 35cm verteilt werden, wobei and der Rändern jeweils noch ein Abstand von mindestens 1cm bestehen soll.

    \[l_{ges}=350mm\]

    \[l_{eff}=l_{ges}-2\times10mm=350mm-20mm=330mm\]

    \[l_{abstand}=\frac{330mm}{39}\approx8,46mm\]

Daraus ergibt sich ein Abstand von 8,46mm zwischen den einzelnen Bahnen. Entsprechend zieht man von den 8,46mm noch den Durchmesser der Stifte und des Drahtes ab, so dass beim Spannen der Draht sich in ein Raster von 8,46mm legt.

Vorrichtung zum Spannen von Draht

Hölzerne Vorrichtung zum Aufspannen des Heizdrahtes

Nickel Chrom Heizdraht

Abwickeln des Nickel Chrom Drahtes

Nicht jeder hat wohl eine Portalfräse zur Hand, so dass man sich über alternative Methoden Gedanken machen kann. Eine Idee dazu wäre es, auf einer Grundplatte aus Holz zwei Leisten aufzubringen, welche verschraubt werden. In diese Leisten werden auf angezeichneten Punkten Nägel oder Schrauben positioniert, welche dem Spannen dienen. Nachden der Draht aufgespannt und mit Klebeband fixiert ist, kann man diese Leisten wieder lösen und damit den Draht entfernen.

Spannen von Draht mit Haltevorrichtung

Einspannen des Heizdrahtes unter Zuhilfenahme der gefrästen Schablone

Wir konnten uns glücklicherweise der gefrästen Holzschablone bedienen, welche durch die abgerundeten Kanten ein sehr sauberes nachspannen des Drahtes unter Zuhilfenahme einer Zange erlaubte. Es hat sich als sehr hilfreich erwiesen dies zu zweit zu machen, denn den Draht vorsichtig abzurollen, in die Führung zu drücken, mit der Zange nachzuspannen und mit dem Finger die gespannte Bahn zu halten ist mit vier Händen wesentlich einfacher.

Draht nachspannen mit Zange

Straffen mit der Zange

Draht liegt gespannt in Form

Der Gespannte Heizdraht in der Führung

Draht wird nach dem spannen mit Klebeband fixiert

Der gespannte Heizdraht wird mit Hilfe des Polyimid Klebebandes

Sobald der gesammte Draht aufgespannt und fixiert ist und die Schablone an beiden Seiten entfernt ist, wird es notwendig die Drahtschlaufen aufzutrennen, auszurichten und auf die richtige Länge zu bringen. Für unsere Konstuktion haben wir auf einer Seite der Grundplatte alle Drähte aufgetrennt und dadurch 40 zu verbindende Drähte erhalten. Unter zuhilfenahme eine Zange kann man die Schlaufen auf der gegenüberliegenden Seite so weit hineinziehen, dass diese nicht mehr über die Grundplatte hinausragen bzw. einen Abstand von 1cm zur Kante haben. Die Enden der Schalufen werden mit dem Polyimid Klebeband befestigt. Es ist selbstverständlich wichtig, dass die Drähte sich unter dem Klebeband nicht berühren, da diese selbst nicht isoliert sind.

Lose Enden vom fixierten Draht

Offenen Schlaufen des Heizdrahtes

Verkabeln der Heizdrähte

Die nächste Abbildung zeigt, wie die Drähte mit den Metallschraubklemmen aus den Lüsterklemmen an den Kabeln befestigt werden. Die Abbildung zeigt noch die falschen Kabelenden, aber man kann erkennen, wie die Schlaufen nacheinander aufgetrennt werden um diese verkabeln zu können.

Drahtschlaufen aufschneiden und verbinden

Auftrennen der Schlaufen auf einer Seite

Die eigentliche Verkabelung erfolg, wie bereits weiter oben erwähnt, mit frabigen Kabeln und einem gruppierten Muster. Angelehnt an die Farbcodierung von ATX Netzteilen werden die Enden der Heizdrähte zunächst mit gelben Kabeln verbunden, welche wiederum fest mit der 12V Schiene des Netzteils verbunden werden. Die anderen Enden werden mit anderen Farben verbunden, und zwar so, dass sich fünf gleichmäßig verteilte Gruppen ergeben.

Eine Seite des Heizdrahtes auf dem Heated Bed verkabeln

Verkabelung der 12V Schiene

Zweite Seite des Heizdrahtes auf dem heated bed verkabeln

Der zweite Pol wird mit farbigen Kabeln angeschlossen.

Die Ansteuerung der Gruppen ist ziemlich leicht umzusetzten. Die Nachfolgende Abbildung zeigt dabei einen einfachen aufbau mit Hilfe eines FETs. Die Gruppe aus vier parallel Geschalteten Heizschlaufen ergibt, wie oben berechnet, einen Widerstand von 1,6Ohm und wird hier mit R2 dargestellt. Die Diode D2 über den Heizdraht ist mangels Induktivität nicht erforderlich, so dass das farbige Gruppenkabel an den Dain Anschluss des N-Kanal FETs angeschlossen wird. Da ein partielles durchschalten des FETs für dessen vorzeitiges ableben sorgen würde, ist es sinnvoll den Gate Anschluss mittels R1 nach 0V zu ziehen, damit sich kein undefinierter Zustand einstellt, wenn die Pins des Mikrocontrollers beim Hochfahren als Eingänge konfiguriert sind. Die Zender Diode D1 dient primär dem ESD Schutz, wobei diese jedoch auch durchaus schon im FET integriert sein kann, was dem Datenblatt zu entnehmen ist. In keinem Fall jedoch ist eines dieser Bauteile schädlich, man sollte jedoch nach dem Zusammenbau die Temperatur der FETs im Auge behalten, denn immerhin wird darüber eine Leistung von ca. 90W geschaltet.

Schaltung Schematik für Heated Bed Steuerung

Einfache Schaltung zur Heizschlaufen Steuerung

Es ist durchaus viel Arbeit die 40 Kabel zu verbinden, vor allem wenn man sauber arbeitet und Aderendhülsen verwendet, dafür sieht das Ergebnis umso anständiger aus. Es ist jetzt auch ein guter Zeitpunkt, um die Kante bei den Schraubverbindern nochmal zu überprüfen und einfach noch eine Schicht Polyimid Klebeband über die Kante zu kleben, um ein Kurzschliessen durch die Aluplatte zu vermeiden.

Vollständig verkabeltes Heated Bed

Übersicht über die verkabelte Heizplatte

Um die Grundplatte auf die eigentliche Trägerplatte zu montieren sind noch ein paar Kleinigkeiten zu lösen. Die verklebten Drähte sollten an die Metallplatte angedrückt werden, ein Temperatursensor soll untegrebracht werden, das Blanke Metall der Schraubverbinder muss gegen kurzschliessen gesichert werden und eine thermische Barriere soll die Grundplatte von der Heizplatte isolierten. Kork hat die Eigenschaft ein guter thermischer als auch elektrischer Isolator zu sein, sich gut bearbeiten zu lassen und dabei günstig zu sein. Wir hatten, wie auch schon bei der Drahtführung das Glück mit einer CAD Zeichnung ganz schnell und Präzise eine Korkplatte mit den Benötigten Abmessungen und den Erforderlichen Aussparungen zu fräsen. Zusätzlich zu dem Kamm, welcher die Schraubverbinder fixiert und isoliert, sind auch vier Aussparungen im Material gelassen. Diese dienen später dazu eine Lücke für Metallklemmen zu lassen, welche später das Glas der Druckoberfläche fixieren.

Gefräste Korkmatte zu elektrischer und thermischer isolation

Die gefräste Korkplatte zur Isolation

Aussaprungen im Kork als elektrische Isolation

Gefräster Kamm für die Metallschraubverbinder

Zusammenbau des Heated Beds

Mit dieser Isolationsplatte ist es nun Möglich, das Sandwich zusammenzuführen. Dabei sind wieder ein Paar helfende Hände nützlich, denn es sind immerhin 40 Verbinder, die eingefädelt werden müssen. Es hat sich als am leichtesten erwiesen, die 40 Kabel über den Arm zu legen, diese dann anzuheben und die Korkplatte mit dem Kamm zwischen die Drähte zu schieben. Lässt man die Kabel herab, so kann man ohne Probleme einen Verbinder nach dem anderen in seine vorhergesehene Position drücken.

Alle Heizdrähte mit dem Arm einfädeln

Einfädeln der Verbinder in die Isolationsmatte

Detail Ansicht beim Einfädeln des Heizdrahtes

Ausrichten und einfädeln der Verbinder

Die Schraubklemmen sitzen sicher und isoliert im Kork

Die Verbinder sitzen

Ansicht auf die komplette Verdrahtung des Heated Bed

Übersicht über die Zusammmengeführte Heizplatte und Isolationsmatte

Damit ist der Bau der Heizplatte fast abgeschlossen. Natürlich muss das Sandwich noch mit der Grundplatte verbunden werden als auch die elektrische Verbindung Hergestellt werden. Dabei haben wir die Aluplatte gebohrt, die Löcher gesenkt und mit Maschiendenschrauben und entsprechenden Gegenmuttern in der Rückseite die Konstruktion zusammengedrückt. Es ist Vorsicht geboten, dass beim Bohren kein Draht beschädigt wird, da dies zu einem Kurzschluss führen würde. Auch ist bei uns eine Befestigung an den vier Ecken vorgesehen, jedoch überlegen wir an der Längst Seite noch zwei weitere Schrauben einzubringen. Mit diesem Aufbau kann man die Drähte jetzt ein wenig in das Kork drücken lassen, um später in der Korkplatte eine Position zwischen zwei Drähten auszumachen und dort den Temperatursensor zu positionieren. Die Anschlussleitungen für diesen kann man dan wunderbar durch ein Loch in der Korkplatte nach unten zwischen Grund- und Korkplatte hinausführen, so dass diese keiner unnötigen thermischen Belastung ausgesetzt sind.

Heated Bed mit Grundplatte verschrauben

Befestigung an der Grundplatte

Schraube in der Oberseite der Heizplatte

Befestigte Heizplatte

Schlusswort

Dieser Beitrag beschreibt den Mechanischen Aufbau der Konstruktion und widmet sich noch nicht der Steuerkomponente durch einen Mikrocontroller. Ich werde diesen Artikel noch erweitern, sobald ich ein paar Bilder davon gemacht habe und ich sehe, dass überhaupt irgendwer das hier liest.

2 Gedanken zu „Heated Bed

  1. Thorben Bührer

    Hallo Herr Engelhardt,
    Sie haben hier eine sehr schöne Anleitung geschrieben ich hätte allerdings noch ein paar kurze Fragen.
    Wie waren Ihre Erfahrungen mit dem Heatbed in Hinblick auf Gleichmäßiges Aufheizen und Regelbarkeit. Gerade in hinblick auf die Regelbarkeit würde mich interessieren ob hier die dicke der Aluplatte als Totzeitelement ein Problem darstellt.
    Gibt es einen Grund warum sie nicht Direkt auf der Aluplatte Drucken?

    Vielen Dank schon Im Vorraus.
    Mit freundlichen Grüßen,
    Thorben Bührer

    1. Anton Beitragsautor

      Hallo Herr Bührer,
      bezüglich der gleichmäßigen Verteilung der Hitze ist nur anzumerken, dass diese zu den Seiten leicht abfällt. Durch die Dicke der Platte ist das Bed entsprechend träge aber die Hitzeverteilung auch sehr gleichmäßig, womit eine Regelung sehr einfach ist und auch wie oben beschrieben funktioniert. Es bilden sich keine heissen oder kalten Streifen, zumindest nicht nach den Messungen mit meinem IR Thermomether. Ich komme für den Druck mit ABS auf Temperaturen von bis zu ca. 110°C. Das dauert aber gerne mal 45 min, bis das Bed bei der Temperatur angekommen ist, 450W sind auch nicht so viel, wie ich mir vorgestellt hatte. Ich spiele auch schon mit dem Gedanken, die Heizug direkt mit Netztspannung (und Erdung mit FI an der Heizplatte) zu probieren, Problem dabei ist der Aufwand kombiniert mit der Tatsache, dass es derzeit ganz gut funktioniert.
      Das mit der Totzeit ist auch kein wirkliches Problem, denn die Temperatur wird an der Heizplatte und nicht an der Druckoberfläche gemessen. Damit ergibt sich unter berücksichtigung der Abgabe der Wärmeenergie an die Umgebung eine gewisses Delta zwischen Druckoberfläche und Heizblocktemperatur, welche ich derzeit sogar nur statisch Betrachte (Annahme: Druckoberfäche = Heizblock – 10°C). Man muss nur Sorge dafür tragen, dass kein laues lüftchen über die Maschine weht, aber das list man auch überall. Alternativ wäre es wohl auch eine gute idee die Heizplatte in eine Holzaufnahme zu senken.
      Einzig aufgefallen ist mir, dass der Druckkopf bzw. dessen Kühlung auf einer Seite des Objekts zu einem Abfall der Temperatur und damit zu einem Ablösen des Objekts geführt hat. Eine Modifikation des Druckkopfes die Luft nach oben wegzublasen erledigt das Problem.
      Warum ich nicht direkt auf die Aluplatte drucke ist zum einen die annahme, dass die Oberfläche nicht so glatt ist wie bei Glas und zum Anderen, dass ich keine Ahnung zum Zeitpunkt des Bauens hatte und überall gelesen hatte, dass Glas eine der bevorzugten Oberflächen ist. Auf der anderen Seite ist das Glas auch leicht zu ersetzen, sollte ich Kratzer oder Ähnliches in der Oberfläche bekommen.

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