3Dプリンターサーミスタ：役割と正確なプリントを保証する仕組み

3Dプリンターサーミスタとは？

サーミスタは、温度変化に伴って抵抗値が急速かつ予測可能な方法で変化する抵抗器です。

サーミスタは半導体、主にゲルマニウムとシリコンから作られ、その抵抗値は温度範囲の大きさに依存します。

3Dプリンターでのサーミスタの役割

サーミスタは3Dプリンターで温度センサーとして使用されます。ヒートベッドやホットエンドなどの温度に敏感なポイントに固定され、温度を監視してデータをマイクロコントローラーに送信します。

プリンターの温度を制御するために、プリンターのマイクロコントローラーは関連データを使用してプリンターの温度を調整します。

加熱されると、抵抗変化が検知され、プリンターのファームウェアによってキャリブレーションデータと照合されて温度変化が計算されます。

サーミスタの種類

サーミスタには2種類あります：

a) 負温度係数（NTC）

これは3Dプリンターで最も一般的に使用されるタイプのサーミスタです。NTCサーミスタは温度に応じた可変抵抗を提供します。温度が上昇すると、抵抗は高から低へ変化し、電流を通過させます。

電源投入時、NTCは突入電流を緩和するために追加の直列抵抗を提供します。通常温度時にサーミスタが電流で自己発熱すると、抵抗は無視できる量まで低下し、通常の電流流通を可能にします。

b) 正温度係数（PTC）

PTCサーミスタも温度に応じた可変抵抗を提供します。温度が上昇すると、抵抗は低から高へ上昇し、過電流を防ぎます。

PTCサーミスタはNTCサーミスタよりも特定のシナリオで使用されます。これらは：極端な温度条件下、デジタル温度計（Amazonでチェック）のようなほぼゼロリセット時間の装置、頻繁なショットを経験するシステムです。

なぜサーミスタが優れたセンサーなのか？

サーミスタは高い耐久性と使いやすさ（挙動がかなり予測可能）のため、多くのアプリケーションでセンサーとして使用するのに有利です。温度測定と制御のためのアプリケーションでの使用は顕著です。

明らかに、サーミスタの電気抵抗の変化は、周囲環境からの放射や伝導によるサーミスタ本体温度の変化、またはデバイス内の電力消費による「自己発熱」によるものかどうかに関わらず、対応する温度変化によるものとして顕著です。

サーミスタ本体の温度は、その環境の熱伝導率と、サーミスタがデバイス内の消費電力が「自己発熱」を引き起こすほど十分な回路で使用されるときの温度に依存します。

サーミスタは「自己発熱」させて、気流検出、液面検出、熱伝導率測定などのアプリケーションで使用されます。

3Dプリンターヒートベッドのサーミスタを交換する方法

以下の手順でサーミスタとヒーティングチューブを交換できます。

以下のツールが必要です：

• サーミスタ
• ヒーティングチューブ
• ハサミ
• ピンセット
• 両用ドライバー
• 1.5mm六角レンチ
• ケーブルタイ（Amazonでチェック）

ステップ1：ノズル横のファンを取り外す

まず、ノズルが室温まで冷えていることを確認し、怪我を防ぎます。ドライバーを使って両側のカバーを外し、ファン横の2本のネジを緩めます。

ピンセットでポートを押さえてファンのコネクタを抜き、ファンを取り外します。

ステップ2：古いサーミスタとヒーティングチューブを取り外す

ピンセットで古いヒーティングチューブとサーミスタのコネクタを抜き、古いヒーティングチューブとサーミスタを切断します。

切断後、1.5mm六角レンチでヒートブロックのネジを緩め、古いヒーティングチューブとサーミスタを取り出します。

ステップ3：新しいサーミスタとヒーティングチューブを取り付ける

新しいヒーティングチューブとサーミスタをケーブルタイで束ね、ヒートブロックに挿入します。ヒーティングチューブの一部がヒートブロックの反対側から突き出るようにします。

サーミスタがヒートブロック内にあることを確認し、ネジを締めて新しいヒーティングチューブとサーミスタをモジュールに通します。コネクタをポートに差し込みます。

ヒーティングチューブとサーミスタはホットエンドに到達できません。

ステップ4：ファンを取り付ける

ファンコネクタをインターフェースに差し込み、モジュールに取り付けます。

ステップ5：パーツを組み立てる

両側のカバーを取り付けます。

ステップ6：サーミスタをテストする

モジュールをコントローラーに接続し、電源を入れます。プリンターフィラメントをロードし、ヒートベッドをキャリブレートして短いプリントを開始してテストします。

プリント中に問題がないか確認してください。

温度センサーの抵抗をテストする方法

抵抗をチェックする方法はいくつかあります。この議論では、マルチメーターを使用した抵抗チェックを考えます。

抵抗は直接測定できる値ではありません。サーミスタの抵抗を見つけるには、サーミスタ内の電流流れを推測し、それに対する結果の抵抗を測定する必要があります。

読み取り値は温度によって変化します。室温抵抗（25℃）で読み取るのが望ましいです。

抵抗チェックの手順：

温度抵抗をチェックするには、マルチメーターとマルチメータープローブが必要です。

ステップ1：サーミスタを接続している一対のワイヤーのガラス繊維絶縁を取り除きます。

ステップ2：マルチメーターの範囲をサーミスタの定格抵抗（例：100k）に設定します。

ステップ3： マルチメータープローブを2本のワイヤーに当てます。マルチメーターに温度抵抗が表示されます。

サーミスタが不良かどうかを知る方法

ほとんどの3Dプリント用サーミスタは室温で100kの温度抵抗を持ちます。3Dプリンターの不良サーミスタの様々な症状には以下が含まれます：

• プリント温度が通常より高い場合

プリンター材料には通常推奨プリント温度があります。プリンターが定格温度より高い温度を必要として材料を押し出す場合、サーミスタが不良の可能性があります。

• サーマルランアウェイ

サーマルランアウェイとは、3Dプリンターが非常に高温まで加熱され、停止できなくなる状況です。これが起こると、プリンターが発火する可能性があります！

サーマルランアウェイは様々な理由で起こり得ます。しかし、最も可能性の高い原因はサーミスタが適切に位置合わせされていないことです。

不適切な位置合わせにより、ファームウェアはターゲットに達するまで熱を継続的に増やし続けます。

サーマルランアウェイを防ぐには、プリンターのファームウェアにサーマルランアウェイ保護をインストールする必要があります。ファームウェアだけではサーマルランアウェイを防げません。プリンターの過熱をその場で止めようとするだけです。

• プリンターがプリントできない、または温度問題による多数のプリントエラー
• プリンターモニター上の異常な温度変動読み取り値

3Dサーミスタのキャリブレーション方法

3Dサーミスタをキャリブレーションする方法はいくつかあります。マルチメーターを使用したキャリブレーション方法を学びます。

1. サーモカップルのテスト

マルチメーターのサーモカップルが正確かどうかテストします。少量の水を沸騰させ、サーモカップルを水に浸します。100℃の読み取りはサーモカップルが正確であることを示します。

2. ホットエンドの特定

プリンターのファームウェアを開きます。ホットエンドを特定します。通常、プリンターのプログラムファイルにホットエンドを制御するファイルがあります。取扱説明書にファイルの場所が記載されている場合があります。

3. ホットエンドをマルチメーターに接続

マルチメーターのサーモカップルをホットエンドに接続します。適切な方法は、ホットエンドとノズルの間の隙間を見つけて差し込むことです。

4. テーブルのコピー

ファームウェアの温度テーブルを開きます。テーブルにはサーミスタ抵抗値と温度の値が含まれています。測定された抵抗から温度を決定するためにプリンターはこのファイルを使用します。テーブルをコピーし、新しいテーブルの温度列を削除します。

5. テーブルの記入

古いテーブルでホットエンドを温度値に設定し、マルチメーターで正確な温度読み取りを測定します。読み取り値を古いテーブルの値に一致する新しいテーブルの抵抗値にコピーし、すべての抵抗値についてステップを繰り返します。

6. テーブルの置き換え

古いサーミスタテーブルを削除し、抵抗値の望ましい温度が見つかったら新しいテーブルで置き換えます。

温度範囲の誤差を引き起こす要因

サーミスタに関連するすべてのデータ計算と演算にもかかわらず、サーミスタ測定値は3Dプリンターで許容される1%のマージンを超える異常に高い誤差マージンを表示することがあります。これらの誤差は以下に起因します：

以下はそのような誤差を引き起こすいくつかの要因です：

1. 明らかなサーミスタ故障

サーミスタワイヤーは非常に脆弱です。ノズル交換時に簡単に損傷する可能性があります。損傷したサーミスタは極端に低い温度読み取りを引き起こす可能性があります。これは報告された読み取り値が実際の温度ではないため、プリンターにとって災害的です。稀なケースでは火災につながる可能性があります。

2. 時間経過によるドリフト

サーミスタは継続的な高温曝露の結果として時間とともに摩耗します。高温曝露は抵抗の上昇を引き起こし、実際より異常に低い温度読み取りにつながる可能性があります。

この曝露は、機械または機械のコンポーネントの劣化による正常な時間経過ドリフトに追加される要因です。

3. 不正確なキャリブレーションデータ

不正確なキャリブレーションデータはサーミスタの誤差を引き起こす可能性があります。したがって、許容差による誤差に加えて、ここでの誤差マージンは予想よりはるかに高くなります。

4. 許容差

サーミスタは性能において比較的一貫していますが、温度上昇とともに許容差は減少します。

一部の3Dプリンターホットエンドで使用されるサーミスタの偏差は必ずしも1%で正確とは限りません。2%のような高い値になる可能性があり、プリント中はさらに高くなることもあります。

5. マザーボード回路

プリンターのマザーボード上の一部のコンポーネントや接続ケーブルの異常な高抵抗がサーミスタ温度読み取り誤差を引き起こす可能性があります。これらのインシデントは時間とともに変化しドリフトする可能性があります。

6. 不適切なPIDチューニング

不適切なPIDチューニングは、プリンターのヒートベッドまたはホットベッド温度を前後に揺らし、場合によっては誤って報告させる可能性があります。

サーミスタの購入

サーミスタを購入する主な理由は、持っているものが故障した場合です。

次に、通常設計されている温度より高い温度でプリントするようにプリンターを改造したい場合に新しいものを購入することがあります。

正規販売店から購入することを検討すべきです。そうすれば購入したものが本物であることを保証できます。

結論

サーミスタは3Dプリンターの小さなコンポーネントですが、プリントにおいて重要な役割を果たします。サーミスタの状態を見落としてはいけません。すべてを停止させる可能性があるためです。