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Uno de los componentes básicos en cualquier impresora 3D FFF son los motores. Son los responsables de realizar los movimientos necesarios para posicionar el cabezal de impresión, así como de traccionar el filamento en el extrusor.
Los motores empleados son los de tipo paso a paso, siendo los más habituales los tipo NEMA 17 y NEMA 23.
Los motores paso a paso de buena calidad presentan una muy alta fiabilidad, por lo que la causa principal del fallo de un motor suele ser externa, en general relacionada con el driver de potencia o la conexión.
Los motores paso a paso son un tipo de motor de giro continuo. El giro se produce en saltos discretos de un ángulo determinado. Se trata de un motor a medio camino entre un un motor DC estándar y un servomotor. Al igual que los motores DC, permiten múltiples giros de 360 º, a la vez que permiten un posicionamiento angular preciso, como los servomotores.
Los más empleados en impresoras 3D son los motores paso a paso híbridos bipolares, en general en formato NEMA17 o NEMA23. Los motores híbridos combinan la capacidad de producir pequeños pasos de los motores VR con la capacidad de soportar grandes inercias de los motores de imán permanente. Por otro lado, los motores bipolares aportan un mayor torque y anclaje que los unipolares a la vez que presentan un menor peso y tamaño, sin embargo requieren controladores de potencia específicos.
A la hora de seleccionar un motor paso a paso debemos conocer sus principales características:
Si buscamos un motor que nos permita usar altas velocidades y soportar grandes inercias durante el movimiento, por ejemplo en el caso de los ejes XY, deberemos escoger un motor con pasos de 1.8 º y con un par de giro alto.
El motor del eje Z, no requerirá de grandes velocidades de trabajo, por lo que un motor de 0.9 º proporcionará movimientos más suaves. En este caso se deberá optar por un motor con el máximo par de retención y de anclaje para soportar el peso de la plataforma o del pórtico (según el diseño de la impresora).
A la hora de conectar correctamente los motores paso a paso, es de gran utilidad disponer de la hoja de especificaciones del fabricante, ya que la posición de los cables varía de un modelo a otro.
Habitualmente, un motor paso a paso bipolar dispondrá de 4 conexiones compuestas por dos circuitos de alimentación independientes. Cada circuito consta de un polo positivo y uno negativo que alimentan cada una de las bobinas del motor.
Lo primero que se debe conocer es la posición de estas cuatro conexiones en nuestra placa de control de la impresora. Podemos encontrar dos tipos de nomenclatura en las placas de control. La primera es 1A 1B 2A 2B, donde cada número presenta un circuito y las letras A y B los polos. La segunda es A A- B B- donde cada letra representa un circuito y el acento el polo negativo.
Una vez que se han determinado las conexiones en la placa, se debe hacer lo mismo con los motores.
Si se dispone de hoja de especificaciones, se deberá consultar el orden de los cables en el conector. En este caso, lo más habitual es encontrar la nomenclatura A A- B B-.
En el caso de que la placa y el motor empleen la misma nomenclatura, la conexión es tan sencilla como emparejar cada terminal. En el caso de que empleen distinta nomenclatura, se deberán emparejar de la siguiente forma:
Si no se dispone de hoja de datos del motor, se deberá determinar cual es cada par de conexiones de cada bobina. Para ello se medirá la resistencia en todas las combinaciones posibles de pares de pines del conector. Cuando la resistencia no sea infinita, se habrá localizado el primer par. Las combinaciones más usadas en los fabricantes de motores son 1-3 4-6 o 1-4 3-6, por lo que se deberá empezar probando estas dos combinaciones.
Una vez localizadas, se conectará cada fase con cada una de las bobinas. Es importante que las dos fases se conecten a las bobinas en la misma polaridad, por lo que si las hemos colocado en fase invertida, al enviar corriente al motor no se moverá y emitirá un ruido. En este caso se deberá invertir la polaridad de una de las bobinas.
Es muy importante mantener ambas fases separadas, por lo que se debe comprobar frecuentemente el estado de los conectores. Un mal contacto o un puente entre fases provocará que el motor deje de funcionar.
Los motores paso a paso se alimentan a través de unos controladores o drivers específicos. Podemos encontrar múltiples modelos en el mercado. Los de mayor calidad proporcionarán generalmente una mayor durabilidad y un funcionamiento más silencioso.
Dentro de los modelos disponibles, existen dos métodos de ajustar la corriente que envían a los motores:
Vref = Imax · 8 · Rs
Donde Imax es la corriente máxima a la que alimentaremos el motor (generalmente como máximo el 90 % de la máxima especificada por el fabricante) y Rs la resistencia de detección del driver.
Para ajustarlo en el driver simplemente deberemos alimentar el driver, medir el voltaje entre el pin Vref (generalmente el propio potenciómetro) y un pin de tierra (generalmente el de la fuente de alimentación) y ajustar el valor adecuado mediante el potenciómetro.
A la hora de seleccionar la corriente de salida de los drivers, no es recomendable emplear la máxima determinada por el fabricante. Con el fin de prolongar la vida útil de los motores no se deberá sobrepasar el 90% del valor máximo del fabricante, siendo la óptima la mínima corriente necesaria para generar un par suficiente para soportar las inercias.Una mayor corriente, además de un mayor par, supone también un mayor calentamiento, mayor ruido del motor y un mayor desgaste.
Los motores paso a paso avanzan mediante pulsos, por lo que la máxima velocidad del motor dependerá de la máxima frecuencia de señal que la placa de control sea capaz de enviar. Además, se debe tener en cuenta que habitualmente varios motores trabajan simultáneamente por lo que la frecuencia para cada uno disminuirá.
Por ejemplo, si la placa de control trabaja a 100000 Hz y trabajan simultáneamente 4 motores (X,Y,Z y extrusor) cada motor estará controlado a 25000 Hz, o lo que es lo mismo 25000 pulsos por segundo. Esto implica que un motor de 1.9 º sin microstepping podrá girar como máximo 125 rps. En un sistema de transmisión por correa GT2 de 8 dientes (el más habitual) esto se traduce en una velocidad máxima lineal teórica de 3600 mm/s.
En el caso de utilizar microstepping, la velocidad máxima se reduciría proporcionalmente, por lo que si se utilizan 16 micropasos, la velocidad máxima pasaría a ser 225 mm/s, pero si se utilizan 256 micropasos se reduciría a tan sólo 14 mm/s.
Es muy importante conocer la frecuencia de trabajo de la placa de control, ya que la combinación de una frecuencia baja de salida con una configuración alta de micropasos puede hacer que la velocidad máxima admisible sea inferior a la de impresión, por lo que se produciría una pérdida importante de pasos.
Cuando se transmite la señal de movimiento al motor, esta se envía como un giro, sin embargo los movimientos incluidos en los archivos de impresión son lineales. Es por esto que la impresora debe ser capaz de traducir el movimiento angular en uno lineal.
El movimiento se transmite generalmente mediante poleas dentadas y correas, por lo que depende del diámetro de las poleas la conversión pasos/mm. Para calcularlo simplemente se deberá aplicar la siguiente fórmula:
pasos/mm = (360/P) · MS 2 · π · Rpolea
Donde P es el paso del motor, MS los micropasos configurados (1 en caso de no usar microstepping) y Rpolea el radio de la polea usada.
En el caso de movimientos transmitidos por tornillo, será el paso del tornillo el que defina el avance. Para ello simplemente se aplicará la siguiente fórmula:
pasos/mm = (360/P) · MS A
Donde P es el paso del motor, MS los micropasos configurados (1 en caso de no usar microstepping) y A el paso de la rosca del tornillo.
Existen también múltiples calculadoras que facilitan obtener estos valores, como la ofrecida por Prusa Printers.
Una vez obtenidos estos valores, y aunque en teoría son correctos, es recomendable hacer una calibración precisa para compensar posibles defectos de fabricación o montaje.
Para ello se deberá imprimir un cubo de dimensiones conocidas (por ejemplo 50 x 50 x 50 mm) y medir las dimensiones reales. Una vez hecho esto, se aplicará la siguiente fórmula:
pasos/mm = Dteórica · Pactual Dreal
dónde Dteórica es la medida teórica que debería tener la pieza, Pactual la configuración actual de P/mm y Dreal el valor de medida obtenido de la pieza impresa.Al introducir el nuevo valor de pasos/mm, se deberían obtener piezas con dimensiones adecuadas.
En esta guía se tratan los conceptos de forma general y sin enfocarse en una marca o modelo concreto, aunque se puedan mencionar en algún momento. Pueden existir diferencias importantes en los procedimientos de calibración o ajuste entre diferentes marcas y modelos, por lo que se recomienda consultar el manual del fabricante antes de leer esta guía.
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