De juiste spanning kiezen voor uw 3D-printer: 12V vs 24V

Veel 3D-printer componenten komen in twee opties: 12V en 24V, en zo zijn 3D-printers zelf ook. Deze kenmerk moet in gedachten gehouden worden wanneer upgrades aan de 3D-printer gemaakt worden, zoals het vervangen van extruders, hotends of componenten hiervoor. Maar wat impliceert dat allemaal voor de gebruiker?

12V en 24V zijn spanningen, en ze zijn het meest voorkomend in deze twee opties. Meer specifiek, zijn het uitgangsspanningen en ze hebben te maken met de voeding (PSU) van de 3D-printer. Een voeding is een apparaat wiens taak is om elektrische energie te leveren aan een elektrische belasting, een apparaat dat elektrische stroom opneemt en het omzet in andere energievormen zoals warmte of licht. In 3D-printers, levert de PSU stroom aan alle essentiële componenten zoals ventilatoren, het heated bed of de hotend. Zonder de minimale vereiste voeding of met een overmatige voeding, kunnen die elementen van de 3D-printer niet correct functioneren.

Afbeelding 1: De uitgangsspanningspecificatie op een stappenmotor driver. Bron: Dyze Design.

Een PSU ontvangt 110 tot 240V uit het stopcontact en, met de hulp van een transformator, zet het om naar 12 tot 24V, een spanning meer geschikt voor apparaten. Bovendien heeft de PSU ook een gleichrichter circuit, een element verantwoordelijk voor het omzetten van de wisselstroom van het stopcontact naar de gelijkstroom die een 3D-printer nodig heeft.

Afbeelding 2: AC-input en DC-output draadpoorten op een PSU. Bron: Dyze Design.

Een 3D-printer voeding heeft meestal de volgende specificaties:

• De nominale spanning(en): deze waarden geven aan welke AC-ingangsspanning de PSU uit het stopcontact neemt - 110V @ 60Hz of 240V @ 50Hz (zoals in de afbeelding hierboven te zien). Normaal kan dit gewijzigd worden door een schakelaar aan de kant van de PSU om te draaien.
• De uitgangsspanning: deze waarde specificeert de spanning van de gelijkstroom die de PSU kan leveren na het omzetten van de wisselstroom. Deze waarde varieert tussen PSUs maar één PSU kan slechts één specifieke spanning ondersteunen: zowel 12V als 24V. Dit is cruciaal, aangezien de componenten van een 3D-printer ook gewaardeerd zijn voor een specifieke spanning en moeten overeenkomen met de uitgangsspanning van de PSU. Het gebruik van een 12V component met een 24V apparaat zal het component laten werken met tweemaal de snelheid waarvoor het ontworpen was, wat kan resulteren in oververhitting, roken, verbranding van het moederbord, zelfs een explosie of brand veroorzaken. Een ander probleem ontstaat in het geval van een kortsluiting. De PSU zou al die overmachtige energie in het component kunnen ontladen, wat schade veroorzaakt. Dat kan met elke PSU gebeuren maar met een lagere vermogen (12V) zou minder energie in het aangesloten component ontladen worden dan met een 24V PSU. Het is raadzaam een DC-DC converter te gebruiken om de spanning van 24V naar 12V te verlagen om dat te voorkomen. Invers, het gebruik van 24V componenten met een 12V 3D-printer zal resulteren in een mislukte prestatie aangezien de componenten niet genoeg spanning krijgen om te opereren. In dit geval moet de gebruiker een spanningsverhoger gebruiken die de 12V geleverd door de PSU omzet in de vereiste 24V.
• De uitgangsstroom (amperage): dit is het hoogste aantal ampères dat de PSU kan leveren. In het geval van de PSU in de bovenstaande afbeelding, is deze waarde 30A. De uitgangsstroomspecificatie beïnvloedt hoeveel verwarmers een 3D-printer kan hebben en hoe heet een heated bed kan worden.
• Het totale vermogen (wattage): deze waarde geeft aan hoeveel vermogen per seconde de PSU kan leveren. Het wordt berekend door de uitgangsspanning en de uitgangsstroom (amperage) te vermenigvuldigen. Dus een 12V voeding met een maximumstroom van 30A zal in staat zijn om 360W vermogen te leveren.

Het doel van de PSU is hoofdzakelijk om te ontvangen, om te zetten en stroom te leveren, maar het heeft ook enkele andere taken om uit te voeren. De PSU is ook verantwoordelijk voor het beperken van de ontvangen stroom tot veilige niveaus, met de hulp van de elektrische belasting, alsook het afsluiten van de stroom in het geval van een elektrische fout.

Een andere taak van de PSU is het beperken van elektronische ruis of spanningspieken die de elektrische belasting bereiken, en energie op te slaan zodat in het geval van een tijdelijke onderbreking in de stroomvoorziening, de PSU kan doorgaan met het voeden van de elektrische belasting.

Welke spanning is beter?

Wanneer het aankomt op het kiezen van de spanning van een component voor een 3D-printer, zoals een verwarmingscartridge, een hotend, een extruder of een ventilator, moet de spanning van die componenten altijd overeenkomen met de uitgangsspanning van de 3D-printer, of een DC-DC converter of een spanningsverhoger moet gebruikt worden.

Wat betreft het kiezen van een nieuwe PSU voor een 3D-printer, zijn er enkele factoren in aanmerking te nemen. Een 24V PSU heeft slechts ongeveer de helft van de bedrading nodig van een 12V PSU. De reden hiervoor is dat hoe hoger de spanning, hoe minder stroom door de PSU vloeit (om hetzelfde vermogen te krijgen, is slechts de helft van de stroom nodig), wat een reductie van de grootte van de draden toestaat. Dit betekent op zijn beurt een reductie in de kosten van de draad en in de hoeveelheid koper die gegraven moet worden om het te produceren.

Afbeelding 3: Een 12V (boven) en een 24V (onder) draad. Bron: Dyze Design.

Enkele opvallende voordelen van het gebruik van een 24V PSU in 3D-printen zijn dat:

• Het heated bed en de hot end minder tijd nodig hebben om op te warmen.
• Er meer koppel is van stappenmotoren, wat heel duidelijk is op de extruder.
• De stappenmotoren minder geluid produceren.

Wat betreft 12V PSUs, zijn ze nuttig om apparaten direct van batterijen te laten draaien. Het nadeel van een 12V PSU is dat het een spanningsverhoger nodig heeft om 24V apparaten te laten werken, en de bedrading is duurder omdat het meer koper nodig heeft.

Hoe de 3D-printer PSU te controleren

Bij het kopen van een 3D-printer, of nieuw of tweedehands, moet de gebruiker zeker weten wat de echte voedingsspanning van de 3D-printer is. Soms is het inspecteren van de technische specificaties niet genoeg, aangezien de PSU door de fabrikant gewijzigd kan zijn en het technische blad niet bijgewerkt was. Wat betreft tweedehands 3D-printers, kan de vorige eigenaar de PSU gewijzigd hebben zonder het duidelijk te maken. Daarom is het best om altijd de PSU van de 3D-printer direct op de printer te controleren voordat enige upgradecomponenten gekocht of geïnstalleerd worden. Als een nieuwe PSU gekocht wordt, moet ook gewaarborgd worden dat deze correct werkt voordat het in de 3D-printer geïnstalleerd wordt.

De PSU is meestal een grote zilveren rechthoekige doos. Sommige voedingen zijn losstaande standalone apparatuur, zoals in de Creality CR-10 V3 3D-printer, terwijl andere printers ze geïntegreerd in de hoofstructuur hebben, zoals de Anycubic Vyper 3D-printer of de Artillery Genius 3D-printer.

Afbeelding 4: Van links naar rechts, de PSU op een Creality CR-10 V3, Anycubic Vyper en Artillery Genius 3D-printers. Bron: Creality, Anycubic en Artillery.

Eerst moet de uitgangsspanning van de PSU geverifieerd worden door te kijken naar het label op de PSU, zoals gedemonstreerd in de onderstaande afbeelding.

Afbeelding 5: De uitgangsspanningspecificatie op een PSU. Bron: E3D.

Als de PSU geen informatie over de uitgangsspanning heeft, kan het gecontroleerd worden met de hulp van een voltmeter of multimeter. Het moet in gedachten gehouden worden dat elektronische apparatuur altijd met de uiterste voorzorg en veiligheidsmaatregelen behandeld moet worden. De correcte detectie van de uitgangsspanning van een 3D-printer wordt gedemonstreerd in een tutorialvideo van Anycubic.

Video 1: Een tutorial over hoe een PSU te detecteren en vervangen. Bron: Anycubic.

Dit proces kan samengevat worden in de volgende 3 stappen:

1. Voordat de PSU of enige draden losgekoppeld worden, moet de printer van het stopcontact losgekoppeld worden. Als er geen ESD-veiligheids maatregelen zijn, zoals een aardingmat, kan geaard worden door iets metaals aan te raken, bijv. een radiator. De geaccumulerde stroom gaat in het metaal omdat metaal een betere geleider van elektriciteit is.
2. Dan, na 30 seconden, kan de PSU van de 3D-printer veilig aangeraakt worden. Het is cruciaal om ESD-gebeurtenissen bij de 3D-printer te vermijden. Zelfs als de ontlading onopgemerkt blijft, wordt deze gevoeld bij ontlading, het kan de elektronische componenten van de printer nog steeds beschadigen. De 30 seconden periode is cruciaal aangezien sommige goedkopere borden/PSUs niet uitgerust zijn met afvlakweerstanden om condensators snel te ontladen.
3. De derde stap is om de spanning in alle uitgangsterminals te controleren, heel voorzichtig om niet de invoer AC-stroomterminals aan te raken of te kortsluiten. De meting op de voltmeter moet bijna hetzelfde zijn als de aangegeven uitgangsspanning. Een iets hogere spanning helpt bij een ondergedimensioneerd heated bed, andere componenten kunnen overbelast zijn.

Het kennen van de uitgangsspanning van de PSU en de 3D-printer is cruciaal om de componenten van de printer correct te kiezen en gevaarlijke gevolgen van onder- of overvoeding van de componenten en de 3D-printer te vermijden. Hoewel 3D-printers kunnen opereren op zowel 12V als 24V PSUs, of zelfs de optie hebben om tussen spanningen te schakelen, is de meer voordelige optie een 24V PSU, aangezien het minder vermogen nodig heeft om hetzelfde bedrag stroom te produceren, de bedrading kleiner is, en het enkele voordelen biedt aan de prestaties van de 3D-printer.