Schrittmotortreiber passiv kühlen

Um den Drucker leiser zu bekommen ist mein erster Schritt immer, TMC2100 Schrittmotortreiber zu verbauen. Das sind die leisesten, mir bekannten, Pololu-kompatiblen Treiber. Leider sind es auch die, die am meisten Kühlung benötigen, wozu ich bisher immer einen kräftigen Lüfter über dem Treiber-Board montiert habe. Ich habe auch schon verschiedene Kühlkörper genauestens untersucht und auch hier im Blog darüber geschrieben. Mein derzeitiges Setting sieht immer so aus und läuft tadellos:

Noch besser wäre natürlich der massive Kupferkühlkörper, dieser kann aber nicht auf jedem Board betrieben werden, da er über den Treiber hinausschaut. Bietet sich also nur auf Boards wie z.B. dem Rumba an:

Diesmal will ich es aber anders machen: Ich habe mir vorgenommen, die Treiber passiv zu kühlen!

Die Voraussetzung dafür bringen die TMC2100 von Haus aus schon mit: sie sind auf der Oberseite komplett unbestückt und flach:

Ideal also, um sie gegen eine Kühlfläche pressen zu können. Da es einfacher ist, die Treiber zu einer Kühlfläche zu bringen, als die Kühlfläche zu den Treibern, habe ich dazu einfach die Pins mit 0,08mm² Flachbandkabel verlängert.

Beim anlöten der einzelnen Drähte habe ich darauf geachtet, dass das Lötzinn weit durch das Loch in der Platine durchläuft und noch auf der anderen Seite für Kontakt sorgt, damit ich anschließend die Oberseite flach schleifen konnte:

Schließlich stehen nach dem Löten die einzelnen Lötaugen ja über und würden ein anpressen unmöglich machen. Gleichzeitig habe ich die Brücke von GND zu CFG1 mit der Verdrahtung realisiert. Die fertigen Treiber sehen dann so oder so ähnlich aus, zum Vergleich nochmal meine Standard-Variante:

Anschließend konnten die Treiber mittels nichtleitender Wärmeleit-Klebefolie montiert werden. Nach meiner Recherche ist die beste verfügbare Folie vom Hersteller 3M mit nur 0,19mm Dicke. Hier der Link zum Datenblatt der Folie und wer es selber ausprobieren will, hier der Ebay-Link (etwa 5€/100cm²).

Da der Rahmen meines vierten Druckers aus 4mm Aluminium-Blech besteht, lag es nahe, diesen auch gleich als Kühlkörper mit zu nutzen:

Ein 3D-Benchy habe ich mit diesem Aufbau bereits ohne Probleme gedruckt. Das Blech wurde dabei deutlich warm. Eine sinnvolle Ergänzung wird in Zukunft ein weit herunter geregelter Lüfter, z.B. ein 12V-Lüfter an 5V, dieser sollte unhörbar für eine noch bessere Konvektion sorgen. Der Grund: selbst eine minimale Luftströmung erhöht die Kühlleistung eines Kühlkörpers extrem. Und der Rahmen meines Druckers bleibt so vielleicht noch etwas kühler.

Das leidige Kühlproblem

So, heute endlich mal wieder ein paar Updates. In der letzten Zeit hat der Drucker unbeachtet in der Ecke gestanden, denn ich hatte die Lust verloren, mich damit zu beschäftigen. Ich habe immer öfter unerklärliche Schrittverluste (nach Stunden, mitten im Druck ein Aussetzer), was zu endloser Sucherei und vielen Fehlschlägen führte. Irgendwann hab ich dann das Handtuch geworfen und das Ding erstmal in Ruhe gelassen.
Vor einer Woche habe ich mich dann wieder daran gesetzt und mit frischer Motivation erneut den Fehler gesucht. Nach vielen Abenden und Stunden der Teile-Tauscherei, Schrauberei und Fummelei bin ich irgendwann ans Thema Kühlkörper gekommen. Was mir schon immer aufgestoßen hat: Meine scheinbar guten Kupferkühlkörper waren immer sehr warm. Selbst bei deaktivierten Motoren. Ich habe mich dann ein wenig eingelesen, was gute Kühlkörper ausmacht und habe anhand der neu erworbenen Erkenntnisse andere Kühlkörper montiert. 

Zusammenfassung:

• Kupfer ca 10-20% bessere Kühlleistung als Alu
• Pin Fin = beste Finne
• geschmiedet ist besser als Extrudiert
• Oberfläche ist nicht alles, besonders bei Pin Fin sollte genug Platz zwischen den Finnen sein, es sei denn, man hat sehr starke Lüfter
• Wärmeleitpad so dünn wie möglich, meiner Meinung nach das optimale für den Zweck: "3M Wärmeleitfähige Transfer-Klebebänder 8940" mit nur 0,19mm Dicke 

Zum testen sah das Setup dann erstmal so aus:

Rechts die bisherigen Kupferkühlkörper, links die neuen zum testen. Das sind zwar keine Pin Fin - Kühlkörper, kamen jedoch dem neu erworbenen Verständnis am nächsten und waren billig und schnell verfügbar.
Also Strom drauf und ab dafür!

DENKSTE!  In einer Miniaturrauchwolke verabschiedete sich der Treiber der X-Achse. 

Große Augen gemacht und sofort untersucht, ob ich vielleicht mit den neuen Kühlkörpern was falsch gemacht oder gebrückt habe... Aber: Entwarnung, alles i.O. Der andere Treiber funktionierte noch. Also einen Ersatztreiber rausgeholt und was soll ich sagen: Geht -> Seitdem drucke ich ohne Schrittverluste (Stand jetzt: 3h).
Meine Theorie: Der Treiber hatte einen "Knacks" und hat die Schrittverluste verursacht. Und nach der ganzen Fummelei jetzt hatte er endgültig aufgegeben. Jedenfalls hoffe ich, dass es so ist und das ich jetzt endlich Ruhe habe! 


Folgende Kühlkörper sind derzeit montiert: 9x9x12mm Heatsink Das sind die optimalsten, die ich für 6€/5Stk gefunden habe. Ob ich jetzt noch auf die PinFin-Kühlkörper wechsle, weiß ich noch nicht. Ich habe eine Firma angeschrieben und nach Proben gefragt, mal schauen 

Nachtrag:

Bin heute in den Genuß einer Wärmebildkamera gekommen und konnte ein paar Vergleiche der Kühlkörper anstellen. Ergebnis: Die vorherigen Kupferkühlkörper sind deutlich besser! Zum überprüfen habe ich die Treiber auch mal untereinander getauscht, nicht dass da die Kühlung oder der Motor anders ist... Aber Fotos sagen mehr als tausend Worte:

Der Drucker lief im Trockenlauf und nur der rechte und der linke Treiber wurden benutzt. Der Kupferkühlkörper brachte die PCB des Treibers etwa 30°C kühler (±35°C) als der neue (±65°C), den ich drauf gemacht hab.

Nachtrag, da ich per PN danach gefragt wurde, warum der Kupferkühlkörper kälter zu sein scheint als die PCB des Treibers:
Der Kupferkühlkörper sieht nur kälter aus auf den Wärmebildern. Wärmebildkameras zeigen glänzende/spiegelnde Oberflächen nicht korrekt sondern deutlich kälter an, im schlechtesten Fall (Glas oder Spiegel) sogar einfach nur die Spiegelung. Da der Kupferkühlkörper blankgefräst ist, ist eben beschriebener Effekt der Fall. Hier sollte man sich besser an der PCB der Treiber orientieren, die Stellen direkt neben den Kühlkörpern....


Außerdem habe ich seit neuestem erstmals etwas WIRKLICH sinnvolles gedruckt  Eine ortsansässige Firma entwickelt Verpackungsmaschinen in der Getränkeindustrie und brauchte ein Zahnriemenrad für einen Prototypen. Der Konstrukteur ist ein Freund von mir und so kam eins zum anderen:

Das Zahnriemenrad hält übrigens schon seit einer Woche durch  

Neuanschaffung: RUMBA

So, bei mir gibts auch endlich mal wieder was neues!

Und zwar habe ich mir ein RUMBA mit den neuen TMC2100er-Treibern gegönnt. 

War erstmal geflasht, was da blinki-blinki abgeht, wenn man es anmacht 

Dazu hab ich mir noch passende Kühlkörper aus Kupfer besorgt. Ich war der Meinung, dass Motortreiber, die endlich das Wärmemanagement des Treiberchips berücksichtigen, auch hochwertigere Kupfer-Kühlkörper als die standard Alu-Dinger verdienen. 

Was ich mir vorher angelesen habe: Reines Alu (99,5%  ) hat 236W/mK, reines Kupfer hat 401W/mK Wärmeleitfähigkeit. Hier gilt: mehr = besser. In der Praxis liegt Alu aber irgendwo zwischen 75W/mK und 235W/mK und Kupfer dagegen zwischen 240W/mK und 380W/mK. D.h. selbst mit der schlechtesten Kupferlegierung fahre ich immer noch besser als mit dem besten Aluminium. 
Weiterer Bonus: Der Kühlkörper aus Kupfer hat eine viel massigere Basis, die viel besser die Wärme in die äußeren Bereiche des Kühlkörpers verteilen kann. Und größer ist er auch noch 

Doch genug gesabbelt, Fotos! 

Der Postbote muss Überstunden machen

Auch heute war der Postbote wieder fleißig 

• 2 Solid State Relais DC/DC40A (man weiß ja nie, was man noch vorhat  )
• 1 "professional"  Powersupply, 12V/33A
• 1 Raspberry Pi (schon ins Gehäuse gebaut)

Ach und die Kühlkörper auf den Treibern habe ich auch aufgestockt. Fühle mich so direkt wohler 
Beim runternehmen der Kühlkörper ist mir übrigens positiv aufgefallen, wie sehr das doppelseitige Wärmeleitpad klebt. Jetzt vertrau ich dem, war richtig richtig fest! 





Ich nähere mich jetzt dem Zeitpunkt, an dem ich die Teile hier hab, die ich zum weitermachen brauche 



erste Spalte muss GRÜN WERDEN 

Treiber-Kühlkörper montiert

Hab gerade die Kühlkörper montiert. Mir ist aber etwas unwohl, so nah wie die an den restlichen Kontakten sind. Ich habe die übrigens mit Wärmeleitklebefolie festgemacht. Mit "Superkleber", wie mir empfohlen wurde, würde ich die nicht festmachen wollen, denke ich... Aber die Kühlkörper werde ich wahrscheinlich über kurz oder lang eh verändern oder austauschen... Ich glaube, das wird mich noch beschäftigen...