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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.
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 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:
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.
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.
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:
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.
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:
Vref = Imax · 8 · Rs
Dabei ist Imax 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.
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.
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.
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 · Rpolea
Dabei ist P die Motorteilung, MS die konfigurierten Mikroschritte (1, wenn kein Mikroschritt verwendet wird) und Rpolea 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 = Dtheoretisch · Paktuell Dreal
wobei Dtheoretisch die theoretische Größe ist, die das Teil haben sollte, Paktuell ist die aktuelle P/mm-Einstellung und Dreal 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.
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.
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