Motori NEMA. Problemi più comuni

Uno dei componenti fondamentali in qualsiasi stampante 3D FFF sono i motori. Sono responsabili dell'esecuzione dei movimenti necessari per posizionare la testina di stampa e per alimentare il filamento nell'estrusore.

I motori utilizzati sono di tipo passo-passo, tra i quali i tipi più comuni sono il NEMA 17 e il NEMA 23.

Immagine 1: Tipi di motori NEMA. Fonte: motioncontrolproducts.com

I motori passo-passo di buona qualità presentano un'affidabilità molto elevata, quindi la causa principale del guasto di un motore di solito è esterna, generalmente legata all'unità di potenza o alla connessione.

Motori passo-passo

I motori passo-passo sono un tipo di motore a rotazione continua. La rotazione avviene a salti discreti di un angolo determinato. Si tratta di un motore a metà strada tra un normale motore DC e un servomotore. Come i motori DC, consentono più rotazioni di 360° e, allo stesso tempo, permettono un posizionamento angolare preciso, come i servomotori.

I più utilizzati nelle stampanti 3D sono i motori passo-passo ibridi bipolari, generalmente nel formato NEMA17 o NEMA23. I motori ibridi combinano la capacità di produrre piccoli passi dei motori VR con la capacità di sopportare grandi inerzie dei motori a magnete permanente. D'altra parte, i motori bipolari offrono una maggiore coppia e ancoraggio rispetto a quelli unipolari, nonché un peso e una dimensione ridotti. Tuttavia, richiedono driver di potenza specifici.

Nel momento di selezionare un motore passo-passo, è importante conoscere le sue principali caratteristiche:

• Passo: È l'angolo minimo di rotazione che il motore può effettuare direttamente (senza l'uso di driver per micro-passo). Di solito si trovano motori con passi da 1.8° o 0.9°. In generale, un passo più piccolo comporta maggiore precisione, ma anche una minore velocità massima di rotazione.
• Corrente di lavoro: È il valore massimo di corrente a cui il motore deve essere alimentato per funzionare correttamente. Maggiore è la corrente applicata al motore, maggiore sarà la coppia generata e quindi potrà sopportare maggiori inerzie senza perdere passi. Tuttavia, ciò comporterà anche un maggiore riscaldamento e usura. Utilizzare correnti superiori a quelle specificate dal produttore causerà il deterioramento e il guasto del motore.
• Tensione per fase: È la tensione richiesta da ciascuna delle bobine per funzionare correttamente.
• Resistenza di fase: È la resistenza elettrica fornita da ciascuna delle bobine.
• Induttanza di fase: È il valore di induttanza massima generato da ciascuna delle bobine quando sono attivate.
• Precisione di posizionamento: È la massima deviazione che può verificarsi durante un movimento di rotazione. In generale, un valore più basso indica una maggiore precisione.
• Temperatura massima di funzionamento: È la temperatura massima a cui il motore può funzionare. Superare questa temperatura per lunghi periodi causerà il guasto del motore.
• Inerzia del rotore: È l'inerzia fornita dal rotore in vuoto a causa del suo peso. L'inerzia supportata dal motore sarà la somma di questa e di quella degli elementi accoppiati al motore.
• Coppia di trattenimento: È la coppia massima che il motore può sopportare quando le fasi sono inattive (senza corrente), senza far girare l'albero.
• Coppia di ancoraggio: È la coppia massima che il motore può sopportare quando è fermo e le fasi sono attive (con corrente), senza far girare l'albero. Il valore è calcolato per un motore alimentato con la corrente massima.
• Coppia di avviamento: È la coppia necessaria per superare l'inerzia del rotore e farlo iniziare a girare.
• Coppia di rotazione: È la coppia massima che il motore può sopportare quando è in rotazione senza perdere passi. Il valore è calcolato per un motore alimentato con la corrente massima.

Se cerchiamo un motore che ci consenta di raggiungere alte velocità e sopportare grandi inerzie durante il movimento, ad esempio nel caso degli assi XY, dovremmo scegliere un motore con passi da 1.8° e con una coppia di rotazione elevata.

Il motore dell'asse Z non richiederà grandi velocità di lavoro, quindi un motore da 0.9° fornirà movimenti più fluidi. In questo caso si dovrebbe optare per un motore con la massima coppia di trattenimento e di ancoraggio per sostenere il peso della piattaforma o del portale (a seconda del design della stampante).

Collegamento dei motori passo-passo bipolari

Quando si collegano correttamente i motori passo-passo, è utile avere il foglio di specifiche del produttore, poiché la posizione dei cavi varia da un modello all'altro.

In genere, un motore passo-passo bipolare avrà 4 connessioni composte da due circuiti di alimentazione separati. Ciascun circuito è costituito da un polo positivo e uno negativo che alimentano ciascuna delle bobine del motore.

La prima cosa da fare è conoscere la posizione di queste quattro connessioni sulla scheda di controllo della stampante. Possiamo trovare due tipi di nomenclatura sulle schede di controllo. La prima è 1A 1B 2A 2B, dove ogni numero rappresenta un circuito e le lettere A e B i poli. La seconda è A A^- B B^-, dove ogni lettera rappresenta un circuito e l'accento il polo negativo.

Una volta determinate le connessioni sulla scheda, bisogna fare lo stesso con i motori.

Immagine 2: Esempio di connessioni in un foglio di specifiche di un motore NEMA17. Fonte: Bondtech

Se si dispone del foglio di specifiche, è necessario consultare l'ordine dei cavi nel connettore. In questo caso, è più comune trovare la nomenclatura A A^- B B^-.

Nel caso in cui la scheda e il motore utilizzino la stessa nomenclatura, il collegamento è semplice: basta abbinare ciascun terminale. Nel caso in cui utilizzino una nomenclatura diversa, è necessario abbinarli nel seguente modo:

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

Se non si dispone del foglio dati del motore, bisogna determinare quale coppia di connessioni corrisponde a ciascuna bobina. Per farlo, si deve misurare la resistenza in tutte le possibili combinazioni di coppie di pin del connettore. Quando la resistenza non è infinita, si è individuata la prima coppia. Le combinazioni più utilizzate dai produttori di motori sono 1-3 4-6 o 1-4 3-6, quindi si dovrebbe iniziare provando queste due combinazioni.

Una volta individuate, si collegherà ciascuna fase a ciascuna bobina. È importante che le due fasi siano collegate alle bobine nella stessa polarità, quindi se le abbiamo collocate in fase invertita, quando inviamo corrente al motore non si muoverà e emetterà un rumore. In questo caso è necessario invertire la polarità di una delle bobine.

È molto importante mantenere le due fasi separate, quindi è necessario controllare frequentemente lo stato dei connettori. Un contatto difettoso o un ponte tra le fasi farà sì che il motore smetta di funzionare.

Configurare la corrente dei motori

I motori passo-passo vengono alimentati attraverso driver specifici. Sul mercato ci sono molti modelli disponibili. Quelli di migliore qualità di solito offrono una maggiore durata e un funzionamento più silenzioso.

Tra i modelli disponibili, ci sono due metodi per regolare la corrente inviata ai motori:

• Tramite una vite di regolazione. In genere, i driver di qualità inferiore o più economici consentono di regolare la corrente di uscita tramite un potenziometro a vite. In questo caso, è necessario utilizzare un multimetro e un cacciavite ceramico di precisione per eseguire la regolazione. Ci sono due modi per effettuare la regolazione:
• Tramite corrente: Con la stampante accesa e i motori collegati, misurare la corrente in una delle fasi e regolarla al valore adeguato. Questo metodo non è raccomandato, soprattutto la prima volta che si collega un nuovo driver, poiché si alimentano inizialmente i motori senza sapere se la corrente di uscita è superiore a quella tollerata dal motore.
• Tramite tensione di riferimento: Questo è un metodo leggermente più complesso, ma più consigliato. Innanzitutto, è necessario determinare la tensione di riferimento richiesta mediante la formula:

$Vref\; =\; I$_max · 8 · Rs

Dove I_max è la corrente massima a cui alimentiamo il motore (di solito al massimo il 90% del valore massimo specificato dal produttore) e Rs è la resistenza di rilevamento del driver.

Per regolare il driver, è sufficiente alimentarlo, misurare la tensione tra il pin Vref (generalmente il potenziometro stesso) e un pin di terra (generalmente il pin dell'alimentazione) e regolare il valore adeguato tramite il potenziometro.

• Tramite firmware: Molti driver attuali non dispongono di potenziometro di regolazione e consentono di configurare direttamente la corrente di uscita tramite il firmware. Per farlo, basta configurare il valore di corrente adeguato nella sezione motori del firmware.

Quando si seleziona la corrente di uscita dei driver, non è consigliabile utilizzare il valore massimo determinato dal produttore. Per prolungare la vita utile dei motori, la corrente non dovrebbe superare il 90% del valore massimo indicato dal produttore, e la corrente ottimale è la minima necessaria per generare una coppia sufficiente a sopportare le inerzie. Una corrente maggiore, oltre a una maggiore coppia, comporta anche un maggiore riscaldamento, un rumore del motore maggiore e un maggiore usura.

Velocità massima di un motore passo-passo

I motori passo-passo avanzano mediante impulsi, quindi la velocità massima del motore dipende dalla massima frequenza del segnale che la scheda di controllo è in grado di inviare. Inoltre, è necessario considerare che di solito più motori lavorano contemporaneamente, quindi la frequenza per ciascuno diminuirà.

Ad esempio, se la scheda di controllo lavora a 100000 Hz e contemporaneamente vengono utilizzati 4 motori (X, Y, Z ed estrusore), ogni motore sarà controllato a 25000 Hz, ovvero 25000 impulsi al secondo. Ciò implica che un motore da 1,9 ° senza microstepping può ruotare al massimo a 125 rotazioni al secondo (rps). In un sistema di trasmissione a cinghia GT2 di 8 denti (il più comune), questo si traduce in una velocità massima lineare teorica di 3600 mm/s.

Nel caso si utilizzi il microstepping, la velocità massima sarà ridotta proporzionalmente. Ad esempio, se vengono utilizzati 16 micropassi, la velocità massima sarà di 225 mm/s, ma se vengono utilizzati 256 micropassi, si ridurrà a soli 14 mm/s.

È molto importante conoscere la frequenza di lavoro della scheda di controllo, poiché la combinazione di una frequenza di uscita bassa con una configurazione elevata di micropassi può fare sì che la velocità massima ammissibile sia inferiore alla velocità di stampa, con conseguente perdita significativa di passi.

Corretta regolazione dei passi per mm

Quando il segnale di movimento viene inviato al motore, questo viene inviato come una rotazione, ma i movimenti inclusi nei file di stampa sono lineari. Ecco perché la stampante deve essere in grado di tradurre il movimento angolare in uno lineare.

Il movimento viene generalmente trasmesso mediante pulegge dentate e cinghie, quindi la conversione dei passi per mm dipende dal diametro delle pulegge. Per calcolarlo, basta applicare la seguente formula:

passi/mm = (360/P) · MS
2 · π · R_puleggia

Dove P è il passo del motore, MS sono i micropassi configurati (1 nel caso in cui non venga utilizzato il microstepping) e R_puleggia è il raggio della puleggia utilizzata.

Nel caso dei movimenti trasmessi da una vite, sarà il passo della vite a definire l'avanzamento. A tal fine, basta applicare la seguente formula:

passi/mm = (360/P) · MS
A

Dove P è il passo del motore, MS sono i micropassi configurati (1 nel caso in cui non venga utilizzato il microstepping) e A è il passo della filettatura della vite.

Esistono anche molteplici calcolatrici che facilitano l'ottenimento di questi valori, come quella offerta da Prusa Printers.

Una volta ottenuti questi valori, ed anche se in teoria sono corretti, è consigliabile effettuare una calibrazione precisa per compensare eventuali difetti di fabbricazione o assemblaggio.

A tal fine, è necessario stampare un cubo dalle dimensioni note (ad esempio 50 x 50 x 50 mm) e misurare le dimensioni effettive. Successivamente, applicare la seguente formula:

passi/mm = D_teorica · P_effettiva
D_reale

Dove D_teorica è la misura teorica che dovrebbe avere il pezzo, P_effettiva è la configurazione attuale dei passi per mm e D_reale è il valore di misura ottenuto dal pezzo stampato. Inserendo il nuovo valore di passi per mm, si dovrebbero ottenere pezzi con dimensioni adeguate.

Considerazioni da tenere conto

• Perdita di passi: Una perdita di passi avviene generalmente a causa di una coppia eccessiva nel motore. Grandi accelerazioni o velocità di cambiamento di direzione elevate provocheranno inerzie che la coppia del motore non potrà compensare, con conseguente perdita di passi. Allo stesso modo, la combinazione di frequenze di segnale basse e configurazioni elevate di micropassi ridurrà drasticamente la velocità massima del motore. Se la velocità di stampa supera questa velocità massima, si avrà anche una perdita di passi. In ogni caso, una perdita di passi in una stampante con un sistema di loop aperto comporterà una perdita di posizione.
• Temperatura: Una configurazione di corrente elevata provocherà un surriscaldamento nel motore. Se il motore è all'interno di una struttura chiusa o riscaldata che non consente di dissipare correttamente il calore, la temperatura di lavoro potrebbe superare il limite, con conseguente smagnetizzazione dei magneti e malfunzionamento o guasto del motore. In stampanti chiuse, è consigliabile posizionare i motori al di fuori della camera o, nel caso in cui ciò non sia possibile, ridurre la corrente al minimo necessario.
• Iteresi: È un fenomeno intrinseco dei motori. Può causare un piccolo errore di posizione alla fine di un movimento. Utilizzare motori di qualità ridurrà questo errore.
• Risonanza: Tutti i motori hanno una frequenza naturale. Se la frequenza degli impulsi inviati al motore è simile alla frequenza naturale, si verificherà un effetto di risonanza. Ciò provocherà maggiori vibrazioni, rumore e usura.
• Configurazione dei passi: Una configurazione inadeguata dei passi per mm provocherà un errore di posizionamento, che si rifletterà in errori dimensionali nelle parti stampate.
• Connessione: Mescolare o collegare in parallelo le fasi provocherà l'immobilizzazione o un funzionamento erratico del motore. Posizionare una fase con polarità invertita rispetto all'altra farà sì che il motore non si muova. Invertire la polarità di entrambe le fasi, quando sono collegate correttamente, farà girare il motore in senso opposto.

In questa guida i concetti sono trattati in modo generale e senza focalizzarsi su un marchio o modello specifico, anche se potrebbero essere menzionati in alcuni momenti. Possono esserci differenze significative nei procedimenti di calibrazione o regolazione tra marchi e modelli diversi, pertanto si consiglia di consultare il manuale del produttore prima di leggere questa guida.