NEMA-Motoren. Die häufigsten Probleme

Eine der grundlegenden Komponenten in jedem FFF-3D-Drucker sind die Motoren. Sie sind für die notwendigen Bewegungen zur Positionierung des Druckkopfes sowie für das Ziehen des Filaments im Extruder verantwortlich.

Die verwendeten Motoren sind Schrittmotoren, die gängigsten Typen sind NEMA 17 und NEMA 23.

Bild 1: NEMA-Motortypen. Quelle: motioncontrolproducts.com

Qualitativ hochwertige Schrittmotoren haben eine sehr hohe Zuverlässigkeit, so dass die Hauptursache für Motorausfälle in der Regel extern ist und meist mit dem Leistungstreiber oder dem Anschluss zusammenhängt.

Schrittmotoren

Schrittmotoren sind eine Art von kontinuierlich drehenden Motoren. Die Drehung erfolgt in diskreten Sprüngen mit einem bestimmten Winkel. Er ist ein Motor auf halbem Weg zwischen einem Standard-Gleichstrommotor und einem Servomotor. Wie Gleichstrommotoren ermöglichen sie mehrere 360 °-Drehungen, während sie wie Servomotoren eine präzise Winkelpositionierung erlauben.

Am häufigsten werden in 3D-Druckern bipolare Hybrid-Schrittmotoren verwendet, in der Regel im Format NEMA17 oder NEMA23. Hybridmotoren kombinieren die kleinen Schrittmotorfähigkeiten von VR-Motoren mit den hohen Trägheitsfähigkeiten von Permanentmagnetmotoren. Andererseits bieten bipolare Motoren ein höheres Drehmoment und eine bessere Verankerung als unipolare Motoren und sind gleichzeitig leichter und kleiner, erfordern jedoch spezielle Leistungsregler.

Bei der Auswahl eines Schrittmotors müssen wir seine wichtigsten Eigenschaften kennen:

• Passage: Dies ist der Mindestwinkel, um den sich der Motor direkt drehen kann (ohne Verwendung von Mikroschrittreglern). In der Regel finden wir Motoren mit Schritten von 1,8 º oder 0,9 º. Im Allgemeinen bedeutet ein kleinerer Schritt eine höhere Präzision, aber auch eine geringere maximale Drehzahl.
• Arbeitsstrom: Dies ist der maximale Stromwert, mit dem der Motor versorgt werden muss, damit er ordnungsgemäß funktioniert. Je mehr Strom wir dem Motor zuführen, desto mehr Drehmoment erreichen wir und desto mehr Trägheit kann er aushalten, ohne Schritte zu verlieren, aber desto größer ist auch die Erwärmung und der Verschleiß. Die Verwendung von höheren als den vom Hersteller angegebenen Strömen führt zu einer Verschlechterung und zum Ausfall des Motors.
• Spannung pro Phase: Dies ist die Spannung, die jede der Spulen benötigt, um korrekt zu funktionieren.
• Resistencia de fase: Dies ist der elektrische Widerstand, der von jeder der Spulen bereitgestellt wird.
• Phaseninduktivität: Dies ist der maximale Induktivitätswert, der von jeder der Spulen bei Aktivierung erzeugt wird.
• Ortungsgenauigkeit: Die maximale Abweichung, die während einer Rotationsbewegung auftreten kann. Im Allgemeinen steht ein niedrigerer Wert für eine höhere Genauigkeit.
• Maximale Arbeitstemperatur: Dies ist die maximale Betriebstemperatur, die der Motor aushalten kann. Eine Überschreitung dieser Temperatur über einen längeren Zeitraum führt zu einem Motorschaden.
• Massenträgheit des Rotors: Dies ist die Trägheit, die der Rotor im Leerlauf aufgrund seines Eigengewichts aufbringt. Die vom Motor getragene Trägheit ist die Summe aus dieser Trägheit und der Trägheit der mit dem Motor verbundenen Elemente.
• Haltemoment oder Drehmoment: Dies ist das maximale Drehmoment, das der Motor aushalten kann, wenn die Phasen inaktiv sind (kein Strom), ohne dass sich die Welle dreht.
• Drehmoment der Verankerung: Dies ist das maximale Drehmoment, das der Motor bei stehendem Motor und aktiven Phasen (unter Spannung) aushalten kann, ohne dass sich die Welle dreht. Der Wert gilt für einen Motor, der mit dem maximalen Strom versorgt wird.
• Anfahrdrehmoment: Dies ist das Drehmoment, das erforderlich ist, um die Trägheit des Rotors zu überwinden und ihn in Bewegung zu setzen.
• Schwenkbares Drehmoment: Dies ist das maximale Drehmoment, das der Motor bei seiner Drehung aushalten kann, ohne Schrittverluste zu verursachen. Der Wert gilt für einen Motor, der mit dem maximalen Strom versorgt wird.

Wenn wir einen Motor suchen, der hohe Geschwindigkeiten und hohe Trägheiten während der Bewegung zulässt, zum Beispiel bei XY-Achsen, sollten wir einen Motor mit 1,8 º-Schritten und hohem Drehmoment wählen.

Der Motor der Z-Achse benötigt keine hohen Arbeitsgeschwindigkeiten, so dass ein 0,9 º-Motor für sanftere Bewegungen sorgt. In diesem Fall sollte ein Motor mit maximalem Halte- und Verankerungsmoment gewählt werden, um das Gewicht der Plattform oder des Portals (je nach Bauart des Druckers) zu tragen.

Anschluss von bipolaren Schrittmotoren

Für den korrekten Anschluss von Schrittmotoren ist es nützlich, das Datenblatt des Herstellers zur Hand zu haben, da die Position der Drähte von Modell zu Modell unterschiedlich ist.

Ein bipolarer Schrittmotor hat in der Regel 4 Anschlüsse, die aus zwei unabhängigen Stromversorgungskreisen bestehen. Jeder Stromkreis besteht aus einem Plus- und einem Minuspol, die jede der Motorspulen mit Strom versorgen.

Als Erstes müssen Sie die Position dieser vier Anschlüsse auf unserer Druckersteuerplatine kennen. Auf den Kontrolltafeln sind zwei Arten von Bezeichnungen zu finden. Die erste ist 1A 1B 2A 2B, wobei jede Zahl für einen Stromkreis und die Buchstaben A und B für die Pole stehen. Die zweite ist A A^- B B^-, wobei jeder Buchstabe für einen Stromkreis steht und der Akzent den Minuspol bezeichnet.

Nachdem die Anschlüsse auf der Platine festgelegt wurden, muss das Gleiche für die Motoren getan werden.

Bild 2: Beispiel für Anschlüsse auf dem Datenblatt eines NEMA17-Motors. Quelle: Bondtech

Wenn ein Datenblatt vorhanden ist, sollte die Reihenfolge der Drähte im Steckverbinder nachgeschlagen werden. In diesem Fall ist die gebräuchlichste Form die Nomenklatur A A^- B B^-.

Wenn die Platine und der Motor die gleiche Nomenklatur verwenden, ist der Anschluss so einfach wie die Paarung der einzelnen Klemmen. Wenn sie unterschiedliche Nomenklaturen verwenden, müssen sie wie folgt gepaart werden:

• 1A - A
• 1B - A^-
• 2A - B
• 2B - B^-

Liegt kein Motordatenblatt vor, muss das Anschlusspaar jeder Spule ermittelt werden. Dies geschieht durch Messung des Widerstands an allen möglichen Kombinationen von Steckerstiftpaaren. Wenn der Widerstand nicht unendlich ist, ist das erste Paar gefunden worden. Die häufigsten Kombinationen, die von den Motorherstellern verwendet werden, sind 1-3 4-6 oder 1-4 3-6. Testen Sie also zunächst diese beiden Kombinationen.

Nach der Ortung wird jede Phase an jede der Spulen angeschlossen. Es ist wichtig, dass die beiden Phasen mit der gleichen Polarität an die Spulen angeschlossen werden. Wenn wir sie also in umgekehrter Phase angeschlossen haben, wird sich der Motor nicht bewegen und ein Geräusch erzeugen. In diesem Fall muss die Polarität einer der Spulen umgedreht werden.

Es ist sehr wichtig, dass die beiden Phasen getrennt bleiben, daher sollte der Zustand der Steckverbinder häufig überprüft werden. Ein schlechter Kontakt oder eine Brücke zwischen den Phasen führt dazu, dass der Motor nicht mehr funktioniert.

Einstellung des Stroms der Motoren

Schrittmotoren werden über spezielle Steuerungen oder Treiber betrieben. Auf dem Markt gibt es viele verschiedene Modelle. Je hochwertiger die Geräte sind, desto länger halten sie und desto leiser sind sie.

Bei den verfügbaren Modellen gibt es zwei Methoden zur Einstellung des an die Motoren gelieferten Stroms:

• Mittels einer Stellschraube. Bei minderwertigen oder billigeren Treibern kann der Ausgangsstrom im Allgemeinen mit einem Potentiometer in Form einer Schraube eingestellt werden. In diesem Fall müssen Sie ein Multimeter und einen Präzisions-Keramikschraubendreher verwenden, um die Einstellung vorzunehmen. In diesem Fall kann die Anpassung auf zwei Arten vorgenommen werden:
  
• Mit Strom: Wenn der Drucker eingeschaltet ist und die Motoren angeschlossen sind, wird der Strom in einer der Phasen gemessen und auf den entsprechenden Wert eingestellt. Diese Methode wird nicht empfohlen, vor allem nicht, wenn ein neuer Treiber zum ersten Mal angeschlossen wird, da die Motoren zunächst mit Strom versorgt werden, ohne zu wissen, ob der Ausgangsstrom höher ist als der für den Motor zulässige Strom.
• Nach Referenzspannung: Diese Methode ist etwas komplizierter, aber empfehlenswerter. Zunächst muss die erforderliche Referenzspannung nach folgender Formel ermittelt werden:

$Vref\; =\; I$_max · 8 · Rs

Dabei ist I_max der maximale Strom, mit dem der Motor betrieben wird (in der Regel höchstens 90 % des vom Hersteller angegebenen Höchstwerts), und Rs ist der Erfassungswiderstand des Treibers.

Um ihn am Treiber einzustellen, schalten Sie einfach den Treiber ein, messen die Spannung zwischen dem Vref-Pin (in der Regel das Potentiometer selbst) und einem Masse-Pin (in der Regel der Stromversorgungs-Pin) und stellen den entsprechenden Wert mit dem Potentiometer ein.

• Über Firmware: Viele Stromtreiber verfügen nicht über ein Einstellpotentiometer und ermöglichen die direkte Einstellung des Ausgangsstroms über die Firmware. Stellen Sie dazu einfach den entsprechenden Stromwert in der Motorsektion der Firmware ein.

Bei der Auswahl des Ausgangsstroms der Treiber ist es nicht ratsam, den vom Hersteller angegebenen Höchstwert zu verwenden. Um die Lebensdauer der Motoren zu verlängern, sollten 90 % des vom Hersteller angegebenen Maximalwerts nicht überschritten werden, wobei der optimale Wert der Mindeststrom ist, der erforderlich ist, um ein ausreichendes Drehmoment zu erzeugen, das den Trägheitsmomenten standhält. Ein höherer Strom bedeutet nicht nur ein höheres Drehmoment, sondern auch eine höhere Erwärmung, ein höheres Motorgeräusch und einen höheren Verschleiß.

Maximale Geschwindigkeit eines Schrittmotors

Schrittmotoren werden mit Impulsen angetrieben, so dass die Höchstgeschwindigkeit des Motors von der maximalen Signalfrequenz abhängt, die die Steuerkarte senden kann. Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass in der Regel mehrere Motoren gleichzeitig arbeiten, so dass die Frequenz für jeden einzelnen Motor abnimmt.

Wenn die Steuerplatine zum Beispiel mit 100000 Hz arbeitet und 4 Motoren (X, Y, Z und Extruder) gleichzeitig arbeiten, wird jeder Motor mit 25000 Hz oder 25000 Impulsen pro Sekunde gesteuert. Das bedeutet, dass sich ein 1,9 °-Motor ohne Mikroschrittbetrieb mit maximal 125 U/min drehen kann. Bei einem GT2-Riemenantriebssystem mit 8 Zähnen (dem gebräuchlichsten) entspricht dies einer theoretischen maximalen Lineargeschwindigkeit von 3600 mm/s.

Bei Mikroschritten würde sich die Höchstgeschwindigkeit proportional verringern, d. h. bei 16 Mikroschritten würde die Höchstgeschwindigkeit 225 mm/s betragen, bei 256 Mikroschritten jedoch nur noch 14 mm/s.

Es ist sehr wichtig, die Betriebsfrequenz der Steuerplatine zu kennen, da die Kombination einer niedrigen Ausgangsfrequenz mit einer hohen Mikroschrittkonfiguration dazu führen kann, dass die maximal zulässige Geschwindigkeit unter der Druckgeschwindigkeit liegt, was zu einem erheblichen Verlust an Schritten führt.

Geeignete Einstellung der Schritte pro mm

Wenn das Bewegungssignal an den Motor übertragen wird, wird es als Drehung gesendet, die in den Druckdateien enthaltenen Bewegungen sind jedoch linear. Deshalb muss der Drucker in der Lage sein, die Winkelbewegung in eine lineare Bewegung umzusetzen.

Die Übertragung der Bewegung erfolgt in der Regel über Zahnscheiben und Riemen, wobei die Umrechnung Teilung/mm vom Durchmesser der Scheiben abhängt.
Um dies zu berechnen, wird einfach die folgende Formel angewendet:

Schritte/mm = (360/P) · MS
                      2 · π · R_polea

Dabei ist P die Motorteilung, MS die konfigurierten Mikroschritte (1, wenn kein Mikroschritt verwendet wird) und R_polea der Radius der verwendeten Riemenscheibe.

Bei schraubenübertragenen Bewegungen ist es die Steigung der Schraube, die den Vorschub bestimmt. Zu diesem Zweck wird einfach die folgende Formel angewendet:

Schritte/mm = (360/P) · MS
                    A

Dabei ist P die Motorsteigung, MS die konfigurierten Mikroschritte (1, wenn kein Mikroschritt verwendet wird) und A die Steigung des Schraubengewindes.

Es gibt auch viele Rechner, mit denen sich diese Werte leicht ermitteln lassen, wie z. B. der von Prusa Printers angebotene.

Nach der Ermittlung dieser Werte, die zwar theoretisch korrekt sind, ist es ratsam, eine genaue Kalibrierung vorzunehmen, um mögliche Herstellungs- oder Montagefehler auszugleichen.

Dazu wird ein Würfel mit bekannten Abmessungen (z. B. 50 x 50 x 50 mm) ausgedruckt und die tatsächlichen Abmessungen gemessen. Sobald dies geschehen ist, sollte die folgende Formel angewendet werden:

Schritte/mm = D_theoretisch · P_aktuell
                    D_real

wobei D_theoretisch die theoretische Größe ist, die das Teil haben sollte, P_aktuell ist die aktuelle P/mm-Einstellung und D_real ist der Messwert, der aus dem gedruckten Teil gewonnen wurde.
Wenn Sie den neuen P/mm-Wert einführen, sollten Sie Teile mit geeigneten Abmessungen erhalten.

Zu berücksichtigende Überlegungen

• Verlust von Stufen: Ein Stufenverlust wird in der Regel durch ein zu hohes Motordrehmoment verursacht. Große Beschleunigungen oder hohe Richtungswechselgeschwindigkeiten verursachen Trägheiten, die das Motordrehmoment nicht kompensieren kann, was zu einem Schrittverlust führt. In ähnlicher Weise führt die Kombination aus niedrigen Signalfrequenzen und hohen Mikroschritt-Einstellungen zu einer drastischen Reduzierung der maximalen Motordrehzahl. Wenn die Druckgeschwindigkeit diesen Wert überschreitet, kommt es ebenfalls zu einem Schrittverlust. In jedem Fall führt ein Schrittverlust in einem Drucker mit offenem Regelkreis zu einem Positionsverlust.
• Temperatur: Eine hohe Stromeinstellung führt zur Überhitzung des Motors. Befindet sich der Motor in einem geschlossenen oder beheizten Gehäuse, das die Wärme nicht richtig ableiten kann, kann die Betriebstemperatur überschritten werden, was zu einer Entmagnetisierung der Magnete und einer Fehlfunktion oder einem Ausfall des Motors führen kann. Bei geschlossenen Druckern ist es ratsam, die Motoren außerhalb der Kammer zu platzieren oder, falls dies nicht möglich ist, den Strom auf das notwendige Minimum zu reduzieren.
• Hysterese: Es handelt sich dabei um ein immanentes Phänomen der Motoren. Dies kann zu einem kleinen Positionsfehler am Ende einer Bewegung führen. Die Verwendung von Qualitätsmotoren verringert diesen Fehler.
• Resonanz: Alle Motoren haben eine Eigenfrequenz. Wenn die an den Motor gesendete Impulsfrequenz ähnlich der Eigenfrequenz ist, tritt ein Resonanzeffekt auf. Dies führt zu erhöhter Vibration, Lärm und Verschleiß.
• Schritt Konfiguration: Eine ungeeignete Schritt/mm-Einstellung führt zu einem Positionierungsfehler, der sich in Maßfehlern bei den Teilen niederschlägt.
• Verbindung: Eine Vermischung oder Überbrückung von Phasen führt dazu, dass sich der Motor nicht oder nur unregelmäßig dreht. Wird eine Phase mit umgekehrter Polarität in Bezug auf die andere platziert, dreht sich der Motor nicht. Die Umkehrung der Polarität der beiden Phasen führt bei korrektem Anschluss dazu, dass sich der Motor in die entgegengesetzte Richtung dreht.

In diesem Leitfaden werden Konzepte in allgemeiner Form erörtert und nicht auf eine bestimmte Marke oder ein bestimmtes Modell eingegangen, auch wenn diese an einigen Stellen erwähnt werden. Die Kalibrierungs- oder Einstellverfahren können sich von Marke zu Marke und von Modell zu Modell erheblich unterscheiden. Es wird daher empfohlen, vor dem Lesen dieses Leitfadens das Handbuch des Herstellers zu konsultieren.