Was ist PID-Regleroptimierung beim 3D-Druck? Ein praktischer Leitfaden für perfekte Druckergebnisse

PID-Regler-Tuning ist der Prozess, bei dem die Heizelemente Ihres 3D-Druckers so eingestellt werden, dass eine präzise und konstante Temperatur erreicht wird. Stellen Sie sich das wie eine intelligente Geschwindigkeitsregelung in Ihrem Auto vor: Anstatt die Geschwindigkeit konstant zu halten, sorgt sie für eine konstante Temperatur des Hotends und des Heizbetts. Ohne diese Anpassung hat Ihr Drucker Schwierigkeiten, eine konstante Temperatur zu halten, was zu häufigen Problemen mit der Druckqualität führt, wie z. B. ungleichmäßigen Schichten und schlechter Haftung. PID-Regler-Tuning behebt diese Probleme, indem es der Druckersoftware beibringt, die Heizelemente intelligenter mit Strom zu versorgen. In diesem Leitfaden erklären wir Ihnen, was PID im 3D-Druck ist, warum es für qualitativ hochwertige Drucke unerlässlich ist und wie Sie ein PID-Regler-Tuning an Ihrem eigenen Gerät durchführen. Dies ist eine grundlegende Fähigkeit, die frustrierende Druckfehler von perfekten Ergebnissen unterscheidet.

Warum eine stabile Temperatur wichtig ist

Eine konstante Temperatur zu erreichen, ist nicht nur eine kleine Anpassung, sondern grundlegend für den gesamten 3D-Druckprozess. Die Software Ihres Druckers arbeitet permanent daran, die Zieltemperatur für Heizbett und Heizplatte konstant zu halten. Ohne korrekte PID-Regelung gelingt dies nur unzureichend. Die Temperatur kann die Zieltemperatur überschreiten, zu hoch werden, dann die Stromzufuhr unterbrechen und wieder zu niedrig werden. Dieser ständige Temperaturwechsel, selbst bei nur wenigen Grad Unterschied, beeinträchtigt die Qualität des gedruckten Kunststoffs. Die Beendigung dieser ständigen Temperaturschwankungen ist der Schlüssel zu einer höheren Druckqualität und Zuverlässigkeit.

Anzeichen mangelnder Kontrolle

Die Folgen einer mangelhaften Temperaturregelung sind an Ihren fertigen Drucken leicht zu erkennen. Diese Fehler sind klare Anzeichen dafür, dass Ihre PID-Werte nicht für Ihre spezifische Hardware und Umgebung optimiert sind.

• Ungleichmäßige Schichthaftung & Z-Streifen: Sinkt die Temperatur des Hotends, schmilzt der Kunststoff nicht ausreichend, um sich richtig mit der darunterliegenden Schicht zu verbinden. Dadurch entstehen Schwachstellen im Bauteil, die sich als sichtbare, horizontale Streifen entlang der Z-Achse des Drucks bemerkbar machen – ein Defekt, der häufig als Z-Streifen bezeichnet wird.

• Ungleichmäßige Oberflächenbeschaffenheit: Die Düsentemperatur beeinflusst direkt die Dicke und Fließgeschwindigkeit des geschmolzenen Kunststoffs. Temperaturänderungen verändern den Fließvorgang und führen zu einer ungleichmäßigen Oberflächengüte. Es können unschöne, matte Stellen neben glänzenden Bereichen auftreten, was die Optik des Drucks beeinträchtigt.

• Düsenverstopfung und Wärmekriechen: Starke Temperaturschwankungen können im Hotend Probleme verursachen. Ein plötzlicher Temperaturabfall kann dazu führen, dass der Kunststoff teilweise aushärtet und eine Verstopfung entsteht. Andererseits kann zu starkes Überschießen der Temperatur zu „Wärmekriechen“ führen. Dabei breitet sich die Wärme zu weit im Kunststoff aus, wodurch dieser zu früh erweicht und verstopft, bevor er die Düse erreicht.

• Verzug und Haftungsprobleme: Bei beheizten Druckbetten ist Instabilität ein ebenso großes Problem. Sinkt die Betttemperatur, kühlen die unteren Schichten des Drucks zu schnell ab, schrumpfen und lösen sich von der Bauplatte – ein ärgerlicher Fehler, der als Verzug bekannt ist. Eine stabile Betttemperatur ist die Grundlage für eine gute Haftung der ersten Schicht.

Wie funktioniert die PID-Regelung?

Um Ihren Drucker optimal zu nutzen, ist es hilfreich zu verstehen, wie er funktioniert. Der PID-Regler ist ein Algorithmus – ein Regelsatz –, der einen Regelkreis bildet, um Fehler kontinuierlich zu korrigieren. Der Name selbst steht für Proportional-, Integral- und Differenzialregler, die drei mathematischen Größen, mit denen er die Heizleistung für die einzelnen Komponenten bestimmt. Sie müssen die mathematischen Details nicht kennen, aber das Verständnis der Funktion jeder Komponente macht Sie zu einem deutlich effektiveren Problemlöser. Man kann sich vorstellen, dass sie die Gegenwart steuern, Fehler der Vergangenheit korrigieren und die Zukunft vorhersagen.

Der „P“-Term (proportionaler Term)

Der Proportionalanteil ist das Kernstück des Algorithmus. Seine Aufgabe ist es, auf den aktuellen Fehler zu reagieren. Der „Fehler“ ist einfach die Differenz zwischen der aktuellen und der Solltemperatur. Je größer der Fehler, desto mehr Leistung weist der Proportionalanteil P die Heizung an.

Unser Vergleich ist das Betätigen des Gaspedals im Auto. Wenn Ihre Zielgeschwindigkeit 96 km/h beträgt und Sie aktuell bei 48 km/h fahren, geben Sie kräftig Gas. Sobald Sie sich dem Ziel nähern, beispielsweise 88 km/h, nehmen Sie den Fuß vom Gas. Der P-Term bewirkt dasselbe: Er wendet eine proportionale Menge an Leistung an, je nachdem, wie weit Sie aktuell vom Ziel entfernt sind. Es ist ein einfacher, aber wirkungsvoller Reaktor.

Der „I“-Term (Integral)

Der Integralanteil (I) ist das Systemgedächtnis. Er berücksichtigt den über die Zeit akkumulierten Fehler. Stellen Sie sich vor, der P-Anteil ist etwas schwach und Ihr Hotend hält konstant 208 °C, obwohl die Zieltemperatur 210 °C beträgt. Der P-Anteil allein wäre hier zufrieden, da der Fehler gering ist. Der I-Anteil hingegen bemerkt diesen anhaltenden Fehler von 2 °C, der bereits seit einiger Zeit besteht. Er summiert diesen Fehler und sagt: „Wir liegen schon zu lange unter dem Zielwert. Wir müssen die Leistung etwas erhöhen und konstant aufrechterhalten, um diese Lücke zu schließen.“

In unserem Autovergleich ist das so, als würde man feststellen, dass man die letzten fünf Minuten mit 93 km/h gefahren ist, obwohl das Ziel 96 km/h sind. Um diese langfristige Abweichung zu korrigieren, erhöht man den Druck auf das Gaspedal etwas, bis man genau 96 km/h fährt. Der I-Term beseitigt kleine, stationäre Fehler, die der P-Term allein möglicherweise ignorieren würde.

Der "D" (Derivations-)Term

Der Ableitungsterm dient als Prädiktor; er wirkt wie eine Bremse, indem er die Temperaturänderungsgeschwindigkeit analysiert und die zukünftige Temperaturentwicklung prognostiziert. Sein Hauptziel ist es, ein Überschießen des Zielwerts zu verhindern. Nähert sich die Temperatur dem Sollwert rasch, erkennt der D-Term diese hohe Änderungsrate und antizipiert, dass der Zielwert ohne Gegenmaßnahmen deutlich überschritten würde. Daraufhin reduziert er die Heizleistung, noch bevor der Zielwert erreicht ist, und bremst so effektiv ab, um ein sanftes Erreichen des Zielwerts zu gewährleisten.

Zurück zu unserem Auto: Wenn Sie auf 60 mph beschleunigen, geben Sie nicht bis zum Erreichen dieser Geschwindigkeit Vollgas. Sie wissen, dass Sie Schwung haben, und beginnen daher bei 57 oder 58 mph vom Gas zu gehen, um sanft auf Ihre Zielgeschwindigkeit auszurollen. Der D-Term bewirkt genau dies und verhindert so, dass der aggressive P-Term übersteuert und Temperaturschwankungen verursacht.

Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung

Nachdem wir das „Was“ und „Warum“ verstanden haben, kommen wir nun zum „Wie“. Diese praktische Schritt-für-Schritt-Anleitung zeigt Ihnen, wie Sie die PID-Autotune-Funktion auf jedem Drucker mit gängiger Software wie Marlin durchführen. Bei anderer Software, wie z. B. Klipper, ist das Prinzip ähnlich, jedoch werden andere Befehle und Einrichtungsschritte verwendet. Der gesamte Vorgang dauert nur wenige Minuten und ist eine der wirkungsvollsten Anpassungen, die Sie vornehmen können.

Bevor Sie beginnen

Bevor Sie beginnen, benötigen Sie nur eines: eine Möglichkeit, G-Code-Befehle direkt an Ihren Drucker zu senden. Dies kann mit einem speziellen Programm wie Pronterface oder über das integrierte Terminal von Web-Oberflächen wie OctoPrint oder Mainsail erfolgen. Aus Sicherheitsgründen und für präzise Ergebnisse empfehlen wir, diesen Vorgang immer dann zu starten, wenn der Drucker vollständig abgekühlt ist. Dadurch wird sichergestellt, dass die Kalibrierung den gesamten Aufheizzyklus von Raumtemperatur berücksichtigt.

Schritt 1: Hotend-Einstellungen

Das Hotend ist die wichtigste Komponente für die Feinabstimmung. Dabei wird ein einzelner Befehl gesendet, der den Drucker anweist, die Heizung ein- und auszuschalten, um ihr Verhalten zu erlernen.

Der zu verwendende Befehl lautet: M303 E0 S210 C8

Lassen Sie uns die einzelnen Teile dieses Befehls genauer betrachten:
* M303 : Dies ist der G-Code zum Starten des PID-Autotune-Prozesses.
* E0 : Hiermit wird festgelegt, welches Heizelement eingestellt werden soll. E0 ist fast immer das erste Hotend.
* S210 : Dies ist die Zieltemperatur für die Feinabstimmung in Grad Celsius. Es ist wichtig, diese auf die Temperatur einzustellen, die Sie üblicherweise für Ihren Hauptkunststoff verwenden. Wenn Sie PLA bei 210 °C drucken, verwenden Sie S210 . Wenn Sie PETG bei 235 °C drucken, verwenden Sie S235 . Die Feinabstimmung auf Ihren typischen Anwendungsfall liefert die besten Ergebnisse.
* C8 : Dies weist den Drucker an, den Heiz- und Kühlzyklus 8 Mal durchzuführen, um einen genaueren Durchschnittswert zu erhalten.

Nach dem Absenden des Befehls werden im Terminal Meldungen angezeigt, sobald der Drucker den Vorgang startet. Er heizt sich auf die Zieltemperatur auf, überschreitet diese absichtlich und kühlt dann wieder darunter ab. Dieser Vorgang wird mehrmals wiederholt. Erfahrungsgemäß kann dies einige Minuten dauern. Bitte haben Sie Geduld und lassen Sie den Vorgang ohne Unterbrechung vollständig abschließen.

Schritt 2: Die Ergebnisse verstehen

Sobald der Abstimmungsvorgang abgeschlossen ist, schaltet sich der Drucker ab und die Ergebnisse werden auf Ihrem Terminal angezeigt. Das sieht in etwa so aus:

PID Autotune finished! Put the last Kp, Ki and Kd constants into your configuration.
#define DEFAULT_Kp 21.73
#define DEFAULT_Ki 1.25
#define DEFAULT_Kd 94.26

Diese Werte für Kp, Ki und Kd sind die neuen, berechneten Konstanten für Ihre Proportional-, Integral- und Differentialterme. Diese Zahlen müssen wir speichern.

Schritt 3: Speichern der neuen Werte

Nun müssen wir dem Drucker mitteilen, dass er diese neuen Werte verwenden soll. Dies geschieht mit dem Befehl M301 , wobei wir die Zahlen aus dem vorherigen Schritt einfügen. Anhand der oben genannten Beispielwerte lautet der Befehl:

M301 P21.73 I1.25 D94.26

Nachdem Sie diesen Befehl gesendet haben, verwendet der Drucker diese Werte für die aktuelle Sitzung. Wenn Sie den Drucker jedoch ausschalten, gehen sie verloren. Um sie dauerhaft zu speichern, müssen Sie sie im internen Speicher (EEPROM) des Druckers ablegen. Dies ist der wichtigste und am häufigsten vergessene Schritt. Der Befehl lautet:

M500

Nach dem Senden von M500 bestätigt der Drucker, dass die Einstellungen gespeichert wurden. Ihr Hotend ist nun vollständig PID-optimiert.

Schritt 4: Das Bett einstellen

Wir empfehlen dringend, auch Ihr Heizbett einzustellen, da dessen Stabilität entscheidend für die Haftung der ersten Schicht und die Vermeidung von Verzug ist. Der Vorgang ist identisch mit der Hotend-Einstellung, allerdings verwenden wir leicht abweichende Einstellungen für die Heizbettheizung.

Der Befehl für das Bett lautet: M303 E-1 S60 C8
* Hinweis E-1 wird zur Kennzeichnung des beheizten Bettes verwendet.
* S60 wird die Zieltemperatur festgelegt. Verwenden Sie wie zuvor eine Temperatur, mit der Sie üblicherweise drucken, z. B. 60 °C für PLA.

Nach Abschluss der Abstimmung erhalten Sie einen neuen Satz von Kp-, Ki- und Kd-Werten. Um diese zu speichern, verwenden Sie den Befehl M304 , der spezifisch für das Heizbett ist:

M304 P97.10 I5.47 D431.52 (unter Verwendung von Beispielwerten)

Und schließlich speichern Sie die neuen Bettwerte mit demselben Befehl wie zuvor dauerhaft im EEPROM:

M500

Ihr Drucker ist nun vollständig auf eine absolut zuverlässige Temperaturregelung eingestellt.

Über die Grundlagen hinaus

Manchmal ist die automatische Abstimmung nicht perfekt, oder es können Fehler auftreten. Wenn Sie wissen, worauf Sie in Ihren Temperaturdiagrammen achten müssen und wie Sie häufige Probleme beheben, verbessern Sie Ihre Fähigkeiten und erzielen eine wirklich perfekte Abstimmung.

Gute vs. schlechte Grafiken

Die meisten Druckerschnittstellen, wie OctoPrint, bieten ein Echtzeit-Temperaturdiagramm. Eine gute PID-Reglereinstellung lässt sich in diesem Diagramm leicht erkennen. Beim Einstellen einer Temperatur sollte die Kurve steil ansteigen, mit einem minimalen anfänglichen Überschwingen (etwa 1–2 °C) und sich dann schnell auf einen extrem flachen Wert direkt am Zielwert einpendeln, mit Schwankungen von weniger als ±1 °C. Eine schlechte Einstellung zeigt große, kontinuierliche Schwankungen, die ständig über und unter den Zielwert gehen, oder einen sehr langsamen, trägen Ansatz, der ewig braucht, um den Sollwert zu erreichen und sich möglicherweise nie stabilisiert.

Fehlerbehebung bei PID-Problemen

Sollten die automatischen Optimierungsergebnisse nicht optimal sein oder der Prozess fehlschlagen, ist das kein Grund zur Sorge. Dies deutet in der Regel auf eine Unausgewogenheit der PID-Parameter oder einen einfachen Umgebungsfaktor hin. Durch manuelles Anpassen der Werte lässt sich das Problem oft beheben. Hier erfahren Sie, wie Sie häufige Probleme diagnostizieren und beheben.

Problemsymptom	Wahrscheinliche Ursache (im Sinne von PID)	Empfohlene manuelle Justierung
Große, langsame Schwankungen um das Ziel. Die Temperatur schwankt um mehrere Grad nach oben und unten.	Der Wert für 'P' (Kp) ist zu hoch. Die Heizung arbeitet zu aggressiv und überkorrigiert übermäßig, was zu Instabilität führt.	Nach dem automatischen Tuning sollten Sie versuchen, den Kp-Wert manuell mit dem Befehl M301 etwas zu senken und mit M500 zu speichern.
Die Temperatur ist stabil, liegt aber konstant unter dem Zielwert (z. B. eingestellt auf 210 °C, hält bei 208 °C).	Der Wert für „I“ (Ki) ist zu niedrig. Das System baut nicht genügend Leistung auf, um den kleinen, langfristigen Fehler aufgrund von Wärmeverlusten auszugleichen.	Versuchen Sie, den Ki-Wert leicht zu erhöhen. Dies wird dem System helfen, diese anhaltende Abweichung zu beseitigen.
Schnelle, unregelmäßige Temperaturänderungen direkt am Zielort. Die Linie wirkt zittrig.	Der Wert für 'D' (Kd) ist zu hoch. Die Bremse reagiert übermäßig auf kleinste Änderungen, wodurch die Heizung zu häufig und heftig ein- und ausschaltet.	Versuchen Sie, den Kd-Wert etwas zu senken. Dadurch wird das Ansprechverhalten geglättet und das System beruhigt.
Fehlermeldung „PID-Autotune fehlgeschlagen!“ im Terminal.	Dies kann ein Hardwareproblem sein (ein lockerer Thermistor oder eine defekte Heizpatrone) oder ein extremer Umweltfaktor wie ein kalter Luftzug von einem Ventilator oder einer Klimaanlage.	Überprüfen Sie zunächst, ob die Verkabelung von Thermistor und Heizung fest sitzt. Stellen Sie sicher, dass die Silikonhülle korrekt auf dem Heizblock sitzt, um ihn vor Zugluft zu schützen, und versuchen Sie dann erneut, das Tuning durchzuführen.

Die wahren Vorteile

Nachdem Ihr Drucker nun optimal für 2025 eingestellt ist, können Sie die Vorteile genießen. Die wenigen Minuten, die Sie in diesen Prozess investiert haben, zahlen sich sofort in Ihren Ausdrucken aus. Hier sind die Verbesserungen, die Sie erwarten können:

• Absolut zuverlässige Druckkonstanz: Jeder Ausdruck sieht gleich aus und zeichnet sich durch zuverlässige und reproduzierbare Qualität aus.
• Verbesserte strukturelle Festigkeit: Durch die perfekte Verschmelzung der Schichten werden Ihre Teile deutlich stabiler und weniger anfällig für ein Auseinanderbrechen.
• Bessere visuelle Qualität: Die Oberflächen werden glatter und gleichmäßiger sein, frei von unschönen Streifen oder ungleichmäßiger Oberfläche, die durch Temperaturschwankungen verursacht werden.
• Höhere Erfolgsquote beim Drucken: Sie werden deutlich weniger Fehlschläge aufgrund von temperaturbedingten Problemen wie verstopften Düsen, Verstopfungen oder sich verziehenden Teilen und Ablösung vom Druckbett erleben.
• Sicherheit beim Drucken anspruchsvoller Materialien: Sie sind besser gerüstet für den Umgang mit Kunststoffen, die bekanntermaßen sehr temperaturempfindlich sind, wie PETG, ABS oder TPU.

Fazit: Ihr Schlüssel zur Meisterschaft

Das Verständnis von PID im 3D-Druck ist keine Hexerei oder ein komplexes Geheimnis für Experten. Es handelt sich um einen grundlegenden Einstellungsprozess, der für qualitativ hochwertige 3D-Drucke unerlässlich ist. Indem Sie sich die Zeit nehmen, PID zu verstehen und die Einstellungen vorzunehmen, entwickeln Sie sich vom Anfänger zum fortgeschrittenen Anwender, der eine der wichtigsten Variablen für die Leistung seines Druckers direkt steuern kann. Sie sind nun in der Lage, Probleme zu diagnostizieren, Ihre Maschine zu optimieren und sie so zu steuern, dass sie bestmögliche Ergebnisse liefert. Diese Kontrolle ist der Schlüssel zur Beherrschung des 3D-Drucks.